外泌體在糖尿病心肌病中的作用機制和臨床應(yīng)用的研究進展

孫慶，米慶，王璐，牟華明

作者單位：1川北醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)院，四川 南充 637000；

2重慶大學(xué)附屬三峽醫(yī)院，a心血管內(nèi)科，b內(nèi)分泌科，重慶 404000

近年來，隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展及生活方式的轉(zhuǎn)變，我國的成人糖尿病（diabetes，DM）的患病率逐步上升，已達11.9%［1］。而糖尿病心肌病（diabetic car?diomyopathy，DCM）是糖尿病常見的心血管并發(fā)癥之一，其特征包括心肌細胞肥大、心肌間質(zhì)纖維化和心臟舒張功能障礙［2-3］。糖尿病心肌病的作用機制尚未明確，較為復(fù)雜，有研究認為主要與心臟氧化應(yīng)激、炎癥、鈣離子通道障礙、心肌細胞凋亡及纖維化、微血管病變等有關(guān)［4］。外泌體（exosomes）是膜外囊泡的一種，直徑為30~100 nm，1987年于哺乳動物成熟的網(wǎng)織紅細胞首次發(fā)現(xiàn)［5］，并廣泛存在于人體血液、尿液、唾液、乳汁、支氣管肺泡灌洗液、精液、關(guān)節(jié)液及腦脊液等體液中。目前，我國關(guān)于外泌體在糖尿病并發(fā)癥之一的糖尿病腎病（diabetic nephropathy，DN）中的相關(guān)研究并不少見，但關(guān)于其在DCM 發(fā)病機制中的作用的報道卻很少［6］。現(xiàn)對外泌體在DCM 中的作用機制和臨床應(yīng)用等方面進行綜述。

1 外泌體的基本概述

外泌體是各種活細胞通過主動分泌排出細胞膜外的脂質(zhì)雙分子層小囊泡［7］，主要由核酸、蛋白質(zhì)構(gòu)成。核酸組分有mRNA、miRNA 等。蛋白質(zhì)包含四跨膜蛋白超家族，如CD9、CD63等；以及參與生物功能的分子，如腫瘤易感基因101蛋白、熱休克蛋白等［8］。外泌體在細胞間的通訊中占據(jù)重要的地位［9］。Vorselen 等［10］最近首次描述了外泌體的機械特性。外泌體進入細胞有三種作用方式。①進入受體細胞后，“貨物”（如小分子藥物、蛋白質(zhì)類、核酸等）被釋放到細胞質(zhì)中，并重新形成多泡體；②將“貨物”釋放進入胞質(zhì)，但自身與細胞質(zhì)膜融合；③其配體與細胞膜上的特定受體結(jié)合，通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路與內(nèi)吞通路，攜帶“貨物”進入細胞［11］。隨著研究的深入，外泌體在干細胞、免疫、靶向給藥等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

2 外泌體在DCM中的作用機制

研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病死亡人數(shù)80% 以上由糖尿病心肌病等心血管并發(fā)癥引起［12］。外泌體通過細胞間信息轉(zhuǎn)導(dǎo)參與心血管系統(tǒng)的病理生理過程，其所含的不同物質(zhì)會對心肌細胞產(chǎn)生不同的影響［13］。

2.1 外泌體miRNA 與DCM外泌體miRNA 是一類非編碼的小RNA。miRNA 在生理及病理狀態(tài)下的細胞、組織的調(diào)控中有著獨特的作用。來自不同實驗室的數(shù)據(jù)顯示，糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生與某些特定的miRNA 在不同組織中的表達水平改變有關(guān)系。研究表明，在糖尿病狀態(tài)下，外體miRNA 被受體細胞攝取，參與胰腺β 細胞損傷和胰島素抵抗調(diào)控過程［14］，并發(fā)揮其生物學(xué)功能，從而調(diào)節(jié)DCM、糖尿病視網(wǎng)膜病變（diabetic retinopathy，DR）、DN 等糖尿病相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展。外泌體miRNA 正逐漸成為糖尿病發(fā)展的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子［14］。其中，miR-133是在研究糖尿病性心臟并發(fā)癥的進程中第一個發(fā)現(xiàn)改變的miRNA。miR-133 通過作用于不同的靶基因而控制心肌細胞的肥大，其調(diào)節(jié)的靶基因有Cdc42（一種信號轉(zhuǎn)錄激酶）、Nelf-A/WHSC2（一種與心臟發(fā)育相關(guān)的核因子）和RhoA（一種控制心肌肥大的GDP/GTP 交換蛋白）［15］。另外有報道m(xù)iR-146a可通過作用于下游靶基因白細胞介素1受體相關(guān)激酶 1（interleukin-1 receptor-associated kinase 1，IRAK1），調(diào)控TLR/ILIR 炎癥信號通路，miR-146a 表達降低將進一步抑制血管新生，降低心肌細胞葡萄糖攝入，影響心肌血供和能量代謝，最終導(dǎo)致心室重構(gòu)和心力衰竭［16］。

2.2 熱休克蛋白20 介導(dǎo)的外泌體與DCM熱休克蛋白20（heat shock proteins-20，Hsp20）是熱休克蛋白（Hsp）家族中的一種伴侶蛋白。Hsp20 具有抗氧化作用，而氧化應(yīng)激是糖尿病心血管并發(fā)癥的主要作用機制［17-18］。Wang 等［19］發(fā)現(xiàn)心臟特異性過表達Hsp20可通過調(diào)節(jié)心肌細胞外泌體的分泌而顯著減輕糖尿病所致的心功能障礙和心室重塑，心臟中Hsp20 水平的升高可以預(yù)防糖尿病心肌病，這也與保護性外泌體分泌增加有關(guān)。其次，作者還發(fā)現(xiàn)Hsp20 通過與Tsg101（一種已知的激活外泌體生物發(fā)生/釋放的因子）直接相互作用來促進心肌細胞外泌體的生成。外泌體進一步通過自分泌與旁分泌方式，減輕糖尿病所致心肌損傷。

2.3 外泌體Mst1 蛋白與DCMMst1（mammalian sterile 20-like kinase 1）作為參與細胞凋亡和自噬等途徑中的關(guān)鍵蛋白質(zhì)，在由糖尿病引起的心臟并發(fā)癥中發(fā)揮著重要的作用。處于心肌內(nèi)皮細胞的外泌體Mst1 蛋白主要通過抑制葡萄糖的攝取，導(dǎo)致能量代謝異常，進而引起一系列病理改變［20］。糖尿病病人持續(xù)的高血糖狀態(tài)會對身體多個部位組織器官造成繼發(fā)性損傷。Hu等［21］研究表明，糖尿病心臟微血管內(nèi)皮細胞（CMECs）在高血糖環(huán)境下更容易受到影響，其釋放的外泌體攜帶著Mst1 蛋白，它能夠激活一系列放大心肌細胞損傷的級聯(lián)反應(yīng)。心肌細胞接受信號后會導(dǎo)致自噬進一步減少而加劇細胞凋亡，導(dǎo)致心功能進行性下降。此外，外泌體Mst1 蛋白還能抑制高糖培養(yǎng)心肌細胞的GLUT4 膜轉(zhuǎn)位，導(dǎo)致葡萄糖攝取減少［21］。

3 外泌體在DCM中的臨床應(yīng)用

外泌體含有大量核酸、蛋白質(zhì)，可在疾病的不同階段被識別，并且具有很強的穩(wěn)定性，可以作為糖尿病心肌病的生物標志物。無論是在早期診斷、還是在治療靶點等方面都具有重要的研究價值。有證據(jù)顯示高濃度的miR-133 可以抑制心肌肥大，而通過使用miRNA 抑制劑使miR-133 表達降低后能顯著引起心肌肥大［22］。另一方面，已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)， 與普通2 型糖尿病病人相比，尿源性外泌體miR-877-3p 在糖尿病腎病病人體內(nèi)有差異性表達（>2 倍）［23］。因此，通過檢測血液中或者尿液中的外泌體miRNA，可能在DCM的早期診斷中也發(fā)揮關(guān)鍵作用［24］。此外，也可以通過聯(lián)合檢測miRNA-133、miRNA-146a、miRNA-34a等多種外泌體miRNA來提高對糖尿病心肌病診斷的特異性。

外泌體廣泛、穩(wěn)定地存在于循環(huán)系統(tǒng)體液中，其不僅通過嚴密的分選機制將細胞內(nèi)的RNA、蛋白質(zhì)傳遞至心肌細胞發(fā)揮作用，還可以作為藥物運載工具及治療載體［25］。2015 年的一項研究［24］發(fā)現(xiàn)，通過移植來源于間充質(zhì)干細胞外泌體能顯著提高心肌細胞的存活率，防止心肌細胞受損，促進新生血管生成，并改善心臟功能。黃然然等［26］也發(fā)現(xiàn)來源于臍帶間充質(zhì)干細胞外泌體對糖尿病模型小鼠心肌纖維化的保護作用。Lin 等［27］進一步研究發(fā)現(xiàn)骨髓間充質(zhì)干細胞來源的外泌體通過抑制轉(zhuǎn)化生長因子-Smad1/β2 信號通路改善糖尿病心肌損傷和纖維化。目前也有研究表明，外泌體在糖尿病心肌病中的治療作用可能有以下幾種機制參與：①外泌體誘導(dǎo)干細胞向受損的心肌轉(zhuǎn)運，補充受損心肌［28］；②干細胞來源的外泌體通過血液循環(huán)移至受損心肌，參與心肌修復(fù)等。各種從干細胞中分離出的外泌體的相關(guān)研究證明了其在減少心肌纖維化和改善心功能方面的潛在作用［29］。動物實驗發(fā)現(xiàn)，通過沉默糖尿病小鼠心肌微血管內(nèi)皮細胞提取的外泌體Mst1 蛋白［30］，可以使其對心肌細胞損傷的作用減輕。同時這也表明，針對功能異常的外泌體靶向治療可能為預(yù)防和治療糖尿病的心血管并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展帶來新的希望［31］。

4 展望

與糖尿病相關(guān)的相當(dāng)多的心血管風(fēng)險表明，針對糖尿病的發(fā)病機制，及早采取預(yù)防措施可能會在降低心血管并發(fā)癥死亡率方面取得更大的成功［32］。而外泌體具有易于分離、免疫原性低、穩(wěn)定性好、靶向性強等優(yōu)勢，與糖尿病心肌病生理和病理變化密切相關(guān)［33］，被認為是診斷糖尿病心肌病的一個很有前景的分子標志物。

目前，精準醫(yī)療是一個快速發(fā)展的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域［34］。有研究［35］顯示，可以通過測量外泌體mi-RNA 來檢測糖尿病心肌病處于什么階段，從而建立更有效的治療策略，作出更佳的臨床決策。然而，尋找高度靈敏且特異的外泌體檢測方法仍然是一項艱巨的挑戰(zhàn)。有研究提出了一種基于球形核酸（SNA）的級聯(lián)信號放大策略，用于高靈敏度的外泌體檢測。但目前，外泌體對糖尿病性心肌病的影響的相關(guān)臨床研究試驗數(shù)據(jù)較少，仍需要花更多時間去探索。應(yīng)當(dāng)從外泌體的分離純化入手，進一步優(yōu)化外泌體的純化方法，為后續(xù)的鑒定和功能研究提供良好的基礎(chǔ)，使外泌體可用于糖尿病心肌病的早期臨床診斷和治療。