外泌體參與調控糖尿病病理過程的研究進展

陳雪嵐 孫本樂 王 霞

濱州醫學院口腔醫學院，山東煙臺 264003

外泌體（exosomes，Exos）又稱細胞外囊泡，幾乎所有類型的細胞都可分泌，其內含豐富的生物調控物質[1]，能夠通過內吞作用及受體相互作用進行細胞間信號傳導，可以反映來源細胞的狀態，亦可以參與生理或病理過程[2]。Exos能夠在機體代謝出現問題時啟動信號通路，參與疾病的發生發展。糖尿?。╠iabetes mellitus，DM）作為一種全身代謝性疾病，當患者血糖持續升高未得到有效控制時能夠產生炎癥反應，嚴重者可出現感染或出現心腦血管并發癥、腎臟病變、視網膜病變、周圍神經病變等并發癥。Exos可通過細胞間信號的傳導調控胰腺β細胞的活性，影響胰島素（insulin，INS）的分泌；通過對免疫細胞和成纖維細胞的調控，促進炎癥反應；通過細胞間信號通訊調節血管內皮細胞的增殖、遷移等影響新生血管的形成。此外，Exos還可通過免疫調節、運輸載體裝載藥物抵達靶器官，促進難愈性創面愈合和緩解組織損傷[3]。本文就Exos的特性進行闡述，重點介紹其參與調控DM病理機制的研究進展。

1 Exos的定義及成分

Exos是細胞主動分泌的納米級球形脂質雙分子層細胞外囊泡，可以被幾乎所有類型的細胞（如樹突狀細胞、肥大細胞、內皮細胞等）釋放到幾乎所有的體液（如尿液、唾液、血液、腦脊液等）中，為細胞胞吞后再由細胞膜結構內陷后形成多泡體，與質膜相互融合，使管腔內囊泡由細胞內向細胞外環境進行釋放而成[4]。Exos一般直徑為40～100 nm，含豐富的DNA和RNA、蛋白質和多肽、脂類、活性細胞因子、轉錄因子受體、小分子代謝物等生物調控物質，如促進細胞信號傳導的四跨膜蛋白超家族和整聯蛋白，也包含運輸的膜運輸蛋白和融合蛋白（如鳥苷三磷酸酶）、一些共刺激分子和黏附分子、保護機體的熱休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）等[5]，另外還有一些來源于抗原提呈細胞的特異性成分（如MHC-Ⅰ和Ⅱ分子）。Exos可以通過某些受體、內吞作用或膜融合實現細胞間信號的交流與物質的交換，激活信號通路，作用于生理或病理過程中來影響細胞發生相對應的生物反應，且其組成和數量皆可因不同刺激改變而誘導靶細胞發生不同反應，因此Exos可以反映來源細胞的狀態，亦可以參與生理或病理過程。研究表明，Exos包含的核酸成分，如microRNA的銜接配對可以使受體細胞發生變化，調控mRNA穩定性，參與免疫反應、血管生成[6]；mRNA在翻譯成相對應的蛋白質后能發生級聯反應開始信號傳遞來誘導生物反應。

還有研究發現，Exos因其分布廣泛、能在細胞間通訊的特性，可作為載體來裝載藥物到達靶器官應用于疾病的治療[7]。不同來源的Exos具有不同的功能，如間充質細胞Exos在組織再生中能夠進行免疫調節；干細胞來源的Exos具有消炎作用，可以促進糖尿病難愈性創面愈合；尿源干細胞Exos可以緩解腎功能損害等。

2 Exos參與調控DM胰島素分泌

糖尿病是以高血糖為特征的代謝類疾病，主要分為1型和2型。1型糖尿病（type 1 diabetes mellitus，T1DM）為自身免疫缺陷引起，因分泌INS的β細胞受損導致INS缺乏；2型糖尿?。╰ype 2 diabetes mellitus，T2DM）則是機體因多種因素產生了INS抵抗或INS分泌不足。雖然二者病因不同，但隨著疾病的發生發展皆能引發免疫反應與代謝反應。因此，胰腺β細胞的功能與INS水平的功能與DM的診斷與治療密切相關。Exos可通過細胞間信號的傳導調控胰腺β細胞。研究發現，DM狀態下胰腺β細胞衍生的Exos microRNAs的釋放受高血糖影響，以此調節胰腺β細胞的活性。Exos還能誘導受體靶細胞產生促炎作用，如DM前期β細胞Exos miR-29通過miR-29-腫瘤壞死因子受體相關因子3（TNF receptor associated factor 3，TRAF3）軸介導的方式來促使巨噬細胞和單核細胞誘導炎癥反應，從而導致INS抵抗，促進DM的進展[8]。

有研究表明，T淋巴細胞釋放的Exos內含有活性的miR-142-3p、miR-142-5p和miR-155，可以誘發胰腺β細胞凋亡機制與趨化因子表達，進一步促進了免疫細胞聚集，引發自身免疫攻擊，促進炎癥反應，導致β細胞加速死亡，最終機體因INS水平降低而發生INS抵抗[9]，引發T1DM。而在T2DM的研究中，胰島巨噬細胞M1水平升高，介導的炎癥反應增強并參與損害β細胞，M1衍生的Exos miR-212-5p靶向sirtuin 2基因，參與β細胞中的Akt/GSK-3β/β-連環蛋白途徑，抑制INS分泌[10]，引發INS抵抗。有學者通過高脂高糖（high-fat diet， HFD）喂養小鼠建立T2DM模型，發現HFD小鼠體內的骨髓巨噬細胞向M1極化，其Exos miR-143-5p水平升高，通過抑制蛋白激酶磷酸酶-5（MAP kinase phosphatase-5，MKP5）誘導肝細胞抑制INS信號通路，促進炎癥并出現INS抵抗[11]。另有學者對Exos的脂質組成進行研究，發現HFD使小鼠體內Exos的脂質組成由正常的磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）變為了磷脂酰膽堿（phosphatidylcholine，PC），PC與芳香烴受體（aryl hydrocarbon receptor，AhR）結合能產生INS抵抗[12]。

此外，研究表明脂肪組織衍生的Exos被釋放至外周血中后，將單核細胞分化成巨噬細胞，巨噬細胞活化后不僅有促炎作用，還可以在聯合TLR4/RBP4通路的情況下阻斷INS作用，引起INS抵抗[13]。脂肪細胞Exos miR-378參與脂質代謝過程，其表達與促進INS抵抗呈現正相關，因而對INS分泌有抑制作用，促進INS抵抗[14]。

3 Exos參與DM炎癥反應

Exos參與DM炎癥反應的過程，如脂肪組織衍生的Exos能夠轉移到外周血的單核細胞，分化出具有活性的巨噬細胞，巨噬細胞產生促炎因子TNF-α和 白 介 素6（interleukin，IL-6），促 進 炎癥反應的發生。有學者對糖尿病足（diabetic foot，DF）病變進行研究，發現DF成纖維細胞中含有高水平的miR-152-3p、低水平的LncRNA H19和磷酸酶張力蛋白同源物，以及存在活化的磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸PI3K/Akt1信號通路。當使用間充質干細胞含有的高水平LncRNA H19經Exos作用傳遞至成纖維細胞時，成纖維細胞所含的miR-152-3p與LncRNA H19相 結 合 后，抑制了miR-152-3p介導PTEN，可促進成纖維細胞增殖并抑制細胞凋亡，起到抗炎作用并能夠促進傷口愈合[15]。與DM相關的牙周炎中唾液Exos miR-25-3p促進了牙周炎的進展，其數量較正常人多2倍，且HFD誘導肥胖的小鼠模型的牙齦和區域淋巴結的促炎細胞也較正常小鼠模型增加[16]。DM腦卒中病變中巨噬細胞也向M1極化促進炎癥反應，有研究表明DM卒中小鼠的血清和腦組織中miR-126 表達較正常小鼠降低，miR-126作為一種血管生成的miRNA，其作用為促進血管生成和調節炎癥。當使用攜帶高表達miR-126的Exos對DM小鼠進行治療時，發現能夠有效改善神經軸突、髓突密度、血管密度及動脈直徑，并誘導M2巨噬細胞極化具有抗炎作用[17]。由此可見，DM中Exos能夠通過對免疫細胞和成纖維細胞的調控，使機體處于慢性炎癥狀態，來達到促進炎癥反應和抑制傷口愈合的作用。

4 Exos參與調節DM血管及微血管內皮功能

血管內皮細胞功能障礙是DM的主要病理學特點。Exos能通過細胞間通信對DM內皮細胞功能進行調節。高血糖條件下，血液Exos可誘導內皮功能發生障礙。DM內皮細胞功能障礙與一氧化氮（nitric oxide，NO）的抑制、失活存在一定的關系。DM患者或DM小鼠模型血漿中的Exos可以調節血管內皮功能，其內含有豐富的精氨酸酶1（arginase 1，ARG1），通過調節L-精氨酸來抑制內皮細胞產生NO，導致血管內皮發生功能障礙。ARG1含量升高或減少主要來源于Exos變化，當使用抑制Exos產生的藥物時，Exos的含量將減少，ARG1則會受到抑制[18]。相反，ARG1升高即導致內皮細胞產生氧化應激反應，使L-精氨酸與一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）相互競爭，NOS解偶聯，NO濃度下降，活性氧（reactive oxygen species，ROS）增加[19]，可以加重DM血管病變。當NO濃度上升，ROS減少時，對血管產生的有害作用明顯降低，血管內皮功能可以得到改善，從而改善DM血管病變。因此，DM中Exos富含的ARG1能加重DM內皮功能障礙及血管病變。

研究發現，DM能夠導致血管平滑肌細胞（vascular smooth muscle cells，VSMCs）鈣 化 或 者 老化，DM人 臍 靜 脈 內 皮 細 胞（human umbilical vein endothelial cells，HUVEC）衍 生 的Exos能 夠 運 輸到VSMCs，且HUVEC-exo內 富含NOTCH3蛋 白 與mTOR信號相關，因而促進了VSMCs鈣化或者老化。除此之外，高糖條件下還能夠促使骨鈣素和p21表達升高，產生礦化結節和SA-β-gal陽性細胞，這些都能參與調節VSMCs鈣化或者老化[20]，因而引發各種血管及微血管的并發癥。研究表明T2DM的血漿Exos中銅轉運蛋白ATP7A減少，ATP7A能夠活化超氧化物歧化酶-3（superoxide dismutase-3，SOD3），催化超氧陰離子自由基歧化為過氧化氫（hydrogen peroxide，H2O2），當H2O2水平升高時，能夠增強內皮細胞的血管形成。因而當Exos中的ATP7A減少時，能夠抑制內皮細胞血管形成[21]，引發內皮功能障礙。

有學者建立T2DM專用Goto-Kakizaki（GK）大鼠模型研究發現，GK心肌細胞Exos中含有過表達的miR-320，經運輸至內皮細胞，抑制內皮細胞遷移、增殖與管形成，參與血管內皮功能障礙[22]。此外，糖尿病視網膜病變（diabetic retinopathy，DR）中的Müller膠質細胞Exos含有高表達的miR-9-3p通過與1-磷酸鞘氨醇受體（sphingosine 1-phosphate receptor，S1P1）結合促進視網膜內皮細胞增殖及血管形成[23]，導致血管內皮功能障礙引發DR。

5 Exos參與調控DM晚期器官損傷

當DM進展至晚期，因長期持續處于高血糖條件下，糖基化終產物累積，全身重要器官出現嚴重并發癥。Exos能夠在全身器官及循環中發揮作用，其在細胞間傳遞活性物質帶來的害處或益處取決于Exos內所含內容，如其內含有的HSPs的水平表達就能隨著變化有著不同的作用。熱休克反應是一種細胞的應激反應，也是一種內在的防御機制，其表達增多能夠保護細胞和組織，相反其表達降低可以引起細胞和組織功能障礙。當心肌細胞Exos含有高水平的HSP20時，可以保護DM小鼠的心臟。DM心肌細胞釋放的有害Exos含有低表達HSP20，則可引起心臟功能障礙、肥大、微血管減少等問題[24]。

除HSPs外，來源于DM心 肌 細胞的Exos含有對心臟有損害的高水平miR-320，也可以促使心臟內皮細胞功能發生障礙[25]。在糖尿病心肌?。╠iabetic cardiomyopathy，DCM）中，心臟微血管內 皮 細 胞（cardiac microvascular endothelial cells，CMEC）衍生的Exos高表達的TGF-β1 mRNA能轉運至心肌細胞參與調節細胞凋亡、自噬、和糖代謝，促使心臟成纖維細胞活化，介導細胞外基質重構，促進血管周圍和間質纖維化[26]，進一步加重了DCM。此外，研究表明骨髓巨噬細胞能夠通過Exos攜帶高表達人抗原R（human antigen R，HuR）RNA結合蛋白轉移至心臟成纖維細胞激活炎癥反應及促纖維化[27]。

DM患者還時常因骨密度低或骨質量及強度受損合并血管病變而極易發生骨折，其治療效果及預后也較普通患者更差。研究發現，DM的持續高血糖狀態會損傷骨髓間充質干細胞來源的Exos，致其促血管生成和促成骨作用受損，影響血管再生和骨再生[28]。而DM骨髓衍生巨噬細胞的Exos miR-144-5p被證明能夠抑制骨再生。

在糖尿病腎?。╠iabetic nephropathy，DN）的試驗研究中，高糖條件下腎小管細胞分泌的Exos減少、叉頭轉錄因子1（forkhead box transcription factor O1，FOXO1）磷酸化失活，都與腎小管細胞參與Exos分泌的RAB27B特異性下調、抑制相關[29]，該Exos可以促進成纖維細胞增殖與活化，促進腎臟病變發展，進而導致腎間質纖維化。在DM足潰瘍（diabetic foot ulcer，DFU）時，Exos miR-15a-3p表達升高，NOX5被抑制，活性氧ROS釋放減少，內皮細胞因此受損，延緩了傷口愈合[30]。除內皮細胞受損傷口愈合緩慢外，研究表明DM中過表達的miR-20b-5p也能抑制傷口愈合，其不僅能增加基礎糖原合成調節代謝，還可以轉移到人皮膚成纖維細胞（human skin fibroblast，HSF）中抑制血管內皮生長因子A（vascular endothelial growth factor A，VEGFA）的表達，以達到損害傷口愈合的作用[31]。此外，糖尿病增殖性視網膜病變（proliferative diabetic retinopathy，PDR）也是DM晚期一種嚴重的并發癥，有學者研究發現視網膜色素上皮細胞ARPE19來源的Exos miR-202-5p在PDR中表達水平升高，其經過細胞間通信能夠轉運到HUVEC，miR-202-5p靶向TGF-βR2且兩者表達呈負相關，抑制HUVEC細胞增殖、遷移、血管生成和病理性纖維化的內皮-間質轉化[32]。因此，PDR中高表達的miR-202-5p可以減輕病理性纖維化，延緩視網膜病變的發展，為治療PDR提供途徑。

6 小結

綜上所述，Exos參與調控胰島素的分泌、炎癥反應、血管內皮功能和全身各器官損傷，有促炎、抑制傷口愈合、促腎臟纖維化、促心臟損傷等作用，也有幫助機體減輕炎癥、改善細胞損傷、減輕視網膜纖維化病變的作用，其參與調控產生的修復和損傷作用皆與其攜帶的活性物質靶向有關。因此，了解DM病理過程中外泌體攜帶的活性物質靶向機制有可能為DM及其并發癥提供新的治療思路。