外泌体与心血管疾病的研究进展
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·综述·讲座·
外泌体与心血管疾病的研究进展
朱飞宇康品方
【摘要】心血管疾病是一种常见病、多发病，且致残率和病死率均较高。外泌体是30～100nm大小的细胞外囊泡，含有蛋白质、脂质、转录因子、mＲNA、非编码ＲNA（non－codingＲNA，ncＲNA）和核酸内容物，是细胞间通讯的重要参与者。外泌体的出现为心血管疾病的诊断和治疗提供了良好的策略。基于外泌体的分子机制对于开发新的心血管事件治疗方法具有重要意义。本文拟对外泌体与心血管疾病的研究进展作一综述。【关键词】外泌体；心血管；干细胞［中图分类号］Ｒ54［文献标识码］ADOI：10．3969/j．issn．1002－1256．2019．14．029
心脏和血管细胞之间以及从干细胞和祖细胞到分化的心血管细胞之间的细胞－细胞通信是一个重要而复杂的过程，其实现的机制多种多样，对心血管生物学、疾病和治疗均有影响。近年来，越来越多的证据表明细胞外囊泡（EVs）是一种新的细胞间通讯系统。不同大小的囊泡是通过不同的生物途径产生的，并且被大多数已知的细胞类型释放和吸收，包括心脏和血管细胞，以及干细胞和祖细胞。一、外泌体1986年，EberhardGT和JohnstoneＲM两位科学家在绵羊红细胞的培养基上清液中发现了一种具有膜结构的小囊泡，并将其命名为Exosome（外泌体）［1］。外泌体是一种直径为30～100nm，主要是细胞内多泡体与细胞膜融合并释放到细胞外基质中的膜囊泡，在电镜下表现为脂质双层包裹的扁平球体，呈特征性的杯状外形。同源性的外泌体形态、大小相近，而不同来源的外泌体则直径可略有不同，通过非细胞接触方式实现细胞间信息传递，可以通过血脑屏障［2］。外泌体的形成是一个复杂而有序的动态过程。细胞膜自发内陷，以逆出芽的方式形成早期核内体，将胞质中的DNA片段，miＲNA以及功能性蛋白聚集在其内部成为多囊泡胞内体，并在各种外界刺激下，通过与细胞膜融合、裂解，将其内容物释放到细胞外环境所得囊泡即为外泌体。由于其特殊的结构，外泌体呈现高水平的细胞内内源性蛋白，这与它的组织和细胞起源密切关联。这些蛋白包括整合素和四重跨膜蛋白家族（CD63、CD89、CD81、CD9和CD82）、细胞内内源性蛋白Alix和tsg101、热休克蛋白HSP70和HSP90、膜连接蛋白膜联蛋白和脂筏特征蛋白Floatilin等，除蛋白以外，外泌体包含的另一大类重要物质就是核酸，包括DNA、mＲNA、微小ＲNA、lncＲNA等。外泌体所携带的核酸、蛋白等分子赋予外泌体丰富的生物学信息，通过外泌体传输到其他细胞发挥特定的生物学效应。二、外泌体与心脏和血管细胞在体外应用条件培养基或简化的共同培养系统的研究发现，心肌细胞和心肌成纤维细胞之间相互作用在心血管疾病
作者单位：233000安徽蚌埠，蚌埠医学院第一附属医院心血管科通信作者：康品方，Email：kangpinfang．1016@163．com发展中起重要作用。Lyu等发现血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）刺激心脏成纤维细胞释放外泌体，作为旁分泌介质上调肾素，血管紧张素原（Agt），血管紧张素Ⅱ1型受体（AT1Ｒ），血管紧张素Ⅱ2型受体（AT2Ｒ），下调心肌细胞血管紧张素转换酶（ACE）2，从而促进AngⅡ－AT1Ｒ轴的自分泌激活，导致病变心肌细胞肥大［3］。此外，心肌成纤维细胞分泌富含miＲNA过客链的外泌体，成纤维细胞来源的miＲNA－21－3p作为旁分泌信号介导心肌细胞肥大［4］。以往关于外泌体与心肌缺血再灌注损伤的研究集中于外源性干细胞分泌的外泌体，而新近有研究证实内源性血浆外泌体也具有心肌保护效应。Vicencio等从成年大鼠和志愿者的血液中分离出外泌体，然后将其用于缺血再灌注的体内和体外实验，发现外泌体通过Toll样受体（TLＲ）4和经典的心脏保护HSPs通路向心肌传递内源性保护信号［5］。Pironti等从AT1Ｒ过表达的细胞培养基上和心脏压力超负荷小鼠的血清中分离得到含有AT1Ｒs的外泌体，发现AT1Ｒ富集的外泌体在体内细胞应激条件下从心脏释放，可能参与血管对神经激素刺激的反应［6］。而与外周血浆相比，心包液（PF）含有在患者心肌和血管中共同表达的富含miＲNA的外泌体。在功能水平上，PF外泌体改善了培养内皮细胞（ECs）的生存、增殖，并恢复了内源性miＲNA含量减少的ECs的血管生成能力。此外，PF来源外泌体促进了小鼠缺血后血流恢复和血管生成［7］。心脏毛细血管具有与心肌细胞相邻的连续内皮细胞。毛细血管内皮细胞和心肌细胞之间的密切接触保证了氧和营养物质在血液和心肌之间的最佳扩散和相互的信号传导。大量研究表明，内皮细胞影响心脏功能，而心肌细胞也反过来调节内皮功能。因此，两者之间存在着直接的沟通路径。在能量缺乏条件下，心肌细胞增加了外泌体的合成和分泌，这些外泌体被内皮细胞内化，介导内皮细胞功能葡萄糖转运体和糖酵解酶的转移。在缺乏葡萄糖的环境下，心肌细胞分泌的外泌体可使内皮细胞可增加葡萄糖摄取和丙酮酸合成，这可能支持心肌细胞的营养［8］。血管钙化是血管壁中、内膜层磷酸钙盐的积累，是慢性肾病、糖尿病、动脉粥样硬化患者常见的并发症。在血管壁上，血管平滑肌细胞（vascularsmoothmusclecells，VSMCs）在炎症细胞因子或矿物质失衡等病理信号的作用下发生骨/软骨转化，其特征是骨相关蛋白的表达和基质小·7871·齐齐哈尔医学院学报2019年第40卷第14期JournalofQiqiharMedicalUniversity，2019，Vol．40，No．14泡（Matrixvesicles，MVs）的释放。研究发现VSMCs来源的MVs为细胞的外泌体。外泌体的释放与VSMCs的钙化能力相关，并且它们是在SMPD3上调的反应下分泌的，其释放受到成骨刺激以及细胞因子和生长因子的动态调节。重要的是外泌体可以钙化并在钙化血管中富集［9］。三、外泌体与糖尿病相关心血管疾病糖尿病是一种糖代谢紊乱性疾病。然而，糖尿病对心血管系统的威胁是极为严重的。临床观察表明，糖尿病的主要致死因素是心血管并发症，糖尿病人因心肌梗死而死亡者，可占糖尿病死亡人数的75%～80%。糖尿病性心肌病（DCM）的特点是心肌微血管内皮细胞（CMECs）损伤和心肌细胞（CM）功能障碍。外泌体介导的CMECs和CM之间的细胞通讯在DCM的发病机制中发挥着重要的作用，有研究证实了CMECs释放的Mst1蛋白激酶富集外泌体在CM中抑制自噬、促进细胞凋亡和抑制葡萄糖代谢［10］。Wang等观察到糖尿病引起的心肌血管生成障碍，即抗血管生成信号来自心肌细胞，而不是内皮细胞。这些发现为糖尿病引起的心肌血管生成损伤提供了种新的分了机制，即这种损伤可能是由心肌细胞通过外泌体发出的抗血管生成信号引起的，而不是内皮细胞发出的［11］。此外，Wang等发现心肌细胞中热休克蛋白20（heatshockprotein20，Hsp20）的升高可通过释放外泌体来保护糖尿病心肌细胞［12］。四、外泌体与肺动脉高压肺动脉高压（PH）是一种以血管收缩、原位血栓形成和血管重塑为特征的疾病。肺血管内过度的细胞增殖和凋亡抵抗导致肺血管结构重构和血管进行性狭窄。这一过程的分子机制尚待阐明。Khalyfa等发现在人体中间歇性缺氧改变了循环中的外泌体，从而增加了体外细胞的通透性和功能障碍，一定数量的循环外泌体miＲNA可能通过靶向作用在睡眠呼吸暂停相关的心血管功能障碍中发挥重要作用［13］。miＲNA－143－3p调节肺血管中细胞和外泌体介导的反应，而抑制miＲNA－143－3p可阻断实验性肺动脉高压［14］。肺动脉高压患者肺血管细胞过度增殖，有研究发现炎症和缺氧可诱导肺动脉内皮细胞（PAEC）释放外泌体。PAEC来源的外泌体参与肺动脉平滑肌细胞（PASMC）过度增殖和凋亡抵抗［15］。另外外泌体的注射可以诱导或逆转野百合碱诱导的小鼠肺动脉高压，这取决与外泌体的来源［16］。以上研究表明了外泌体可能参与肺动脉高压的发病机制。五、外泌体与动脉粥样硬化血管对促动脉粥样硬化因子的反应是一个涉及内皮细胞（ECs）、巨噬细胞（MACs）和平滑肌细胞（SMCs）的多因素作用过程，这些细胞类型在环境作用下相互沟通的机制尚不清楚。研究发现miＲNA－155在过量表达kruppell样因子5（KLF5）的血管平滑肌细胞（VSMCs）中显著表达和分泌，VSMCs来源的外泌体介导KLF5诱导的miＲNA－155从平滑肌细胞向内皮细胞转移，进而破坏紧密连接和内皮屏障的完整性，导致内皮通透性增加和动脉粥样硬化进展增强。此外，miＲ－155在内皮细胞中的过表达可抑制内皮细胞的体外和体内增殖迁移，从而增加血管内皮的通透性。阻断外泌体介导的miＲNA－155在这两个细胞之间的转移可能成为动脉粥样硬化的治疗靶点［17］。除巨噬细胞外，动脉粥样硬化病灶内也可见树突状细胞（DCs），并参与动脉粥样硬化。Gao等的研究表明，成熟的DCs来源的外泌体通过膜肿瘤坏死因子－α（TNF－α）介导核因子κB（NF－κB）通路增加内皮炎症和动脉粥样硬化［18］。六、外泌体与心肌梗死急性心肌梗死（AMI）引起的缺氧可以诱导心肌细胞凋亡，外泌体通过运输包括miＲNA、和蛋白质在内的细胞质成分，促进细胞间通信。然而，目前对缺氧心肌细胞外泌体miＲNA的系统调控和功能尚不清楚。Zhang等应用小ＲNA测序研究缺氧对大鼠成肌细胞（H9c2）及外泌体miＲNA的影响，发现缺氧调控了缺氧相关miＲNA在H9c2细胞中的表达，改变了H9c2细胞来源外泌体的miＲNA。低氧诱导的外泌体miＲNA具有潜在的抗调亡作用，包括miＲNA21－5p、miＲNA－378－3p、miＲNA－152－3p和let7i－5p；荧光素酶报告试验证实Alg12和Faslg分别是miＲNA－152－3p和Iet－7i－5p的靶点。揭示了来自H9c2细胞的缺氧诱导外泌体带有心脏保护miＲNA，可减轻缺氧诱导的H9c2细胞凋亡［19］，此外miＲ－30a被发现在AMI患者血清外泌体中高度富集。缺氧诱导miＲNA－30a上调并富集成外泌体。生理自噬在缺血性心脏病中具有保护作用，研究发现MiＲ－30a通过外泌体在缺氧心肌细胞间高效转移。抑制外泌体释放有助于维持缺氧后的自噬，而抑制miＲNA－30a可增强缺氧后的自噬，表明缺氧心肌细胞外泌体通过旁分泌的方式转移miＲNA－30a调控自噬，揭示了一种新的自噬调控途径［20］。心肌梗死时，心肌成纤维细胞增殖，沉积胶原，分泌细胞因子。在心肌梗死早期，心肌成纤维细胞增殖可预防心肌破裂，提高存活率，Wang等的研究结果表明活化的巨噬细胞分泌富含miＲNA－155的外泌体，并发现巨噬细胞来源的miＲNA－155作为成纤维细胞的增殖和炎症一种旁分泌调节剂［21］。监测心肌梗死后外泌体的质量和数量可作为疾病评估和预后预测的新因素，外泌体的研究可发现新的临床生物标志物，为心肌梗死后心脏重构的新治疗提供新思路［22］。七、干细胞来源外泌体与心血管系统干细胞是一类具有分化成特定细胞类型能力的未分化细胞，可来源于骨髓、外周血、脂肪组织、心脏组织、肌肉组织等来源。干细胞治疗（SCT）为缺血性心脏病的心脏再生带来了希望。移植的干细胞可能以自分泌和/或旁分泌的作用方式再生死亡的心肌。其中旁分泌介质，如干细胞来源的外泌体，正在成为一种新的治疗策略，以克服SCT的一些局限性。这些外泌体携带的microＲNA可能调节干细胞分化成为特定谱系。microＲNA也可能通过调节细胞外基质（ECM）的循环来改变周围基质。移植干细胞的存活依赖于其维持细胞内稳态的自噬过程。因此，外泌体、miＲNA、细胞外基质循环和自噬可能在提高SCT疗效中发挥重要作用。以干细胞为基础的冶疗已被证明可促进血管生成，并可有效治疗缺血性疾病。如间充质干细胞（MSCs）的外泌体被证明可以促进细胞增殖和血管生成，在此背景下Zhang等发现MSC外泌体预处理的心脏干细胞（CSCs）具有更高的存活率，增加了毛细血管密度，减少了心脏纤维化，恢复了心脏功能［23］。1．间充质干细胞：骨髓间充质干细胞是应用最泛的心脏疾病临床试验干细胞。过去认为移植的骨髓间充质干细胞分·8871·齐齐哈尔医学院学报2019年第40卷第14期JournalofQiqiharMedicalUniversity，2019，Vol．40，No．14
