外泌體對神經(jīng)系統(tǒng)疾病的作用研究進展

鐵 巖 李 瀟 楊鑫偉 許利平

神經(jīng)系統(tǒng)疾病是一類臨床常見疾病，包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如阿爾茲海默癥(Alzheimer′s disease, AD)，帕金森綜合征(Parkinson′s disease, PD)等，以及周圍神經(jīng)疾病，如糖尿病周圍神經(jīng)病變(diabetic peripheral neuropathy, DPN)等。這類疾病發(fā)病機制十分復雜，如AD的發(fā)病與Tau蛋白過度磷酸化、β-樣淀粉蛋白積累、神經(jīng)遞質(zhì)水平降低、炎癥損害神經(jīng)元、晚期糖基化終產(chǎn)物與其受體相互作用密切相關[1]。PD的發(fā)病機制涉及多種途徑，包括細胞凋亡、自噬、氧化應激、炎癥、α-突觸核蛋白聚集和神經(jīng)遞質(zhì)變化等[2]。DPN的發(fā)生、發(fā)展主要與高血糖引起施萬細胞(Schwann cells，SCs)凋亡有關，病變機制主要涉及氧化應激、炎性反應、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激、自噬和硝化等[3]。在治療上臨床多以對癥治療，但治療后神經(jīng)功能并不能完全恢復，因此迫切需要尋找更有效且安全的治療方法。外泌體(exosomes, EXOs)是一類各種細胞均可分泌的具有雙層膜結(jié)構(gòu)的囊泡樣物質(zhì)。近年來，研究者發(fā)現(xiàn)EXOs可以在很多疾病中發(fā)揮作用，引起極大的關注，如癌癥、2型糖尿病、肥胖癥、類風濕性關節(jié)炎和神經(jīng)退行性疾病等[4]。本文通過綜述近年來EXOs對神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究現(xiàn)狀，為進一步深入研究其作用機制尋求更好的治療方法提供參考。

一、EXOs

EXOs是一類具有雙層膜結(jié)構(gòu)的細胞外囊泡，直徑為30～100nm。EXOs來源于細胞分泌，如神經(jīng)干細胞，神經(jīng)元，星形膠質(zhì)細胞，SCs等，可以通過不同體液如血液、尿液、腦脊液等檢測到EXOs。根據(jù)多組學研究，EXOs包含不同類型的生物分子，包括蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸。EXOs蛋白質(zhì)包括取決于分泌細胞類型的蛋白質(zhì)和與分泌細胞類型無關的特定蛋白質(zhì)兩種；核酸主要包括各種RNA，如微小RNA(miRNA)、環(huán)狀RNA等，目前人們對miRNA研究較多，尤其癌癥方面，可以作為治療靶標[4]。

EXOs參與體內(nèi)各種生物過程，其內(nèi)含物可以反映機體的生理或病理狀況。因此不同來源的EXOs作為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的標志物已達成共識，如星形膠質(zhì)細胞來源EXOs因子水平也可隨中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)展特異性增高或降低，可作為診治鑒別疾病的重要工具及預測疾病發(fā)展變化的生物學標志物[5]。有文獻表明，EXOs可以起到神經(jīng)保護作用，如靜脈注射骨髓間充質(zhì)干細胞可以作用于受損的神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞，明顯改善糖尿病引起的認知障礙[6]。EXOs的內(nèi)含物也可以直接參與神經(jīng)系統(tǒng)活動，如EXOs miRNA在體內(nèi)有不同的靶標，可以影響SCs增殖、遷移以及髓鞘形成，進而調(diào)節(jié)神經(jīng)的生長發(fā)育[7]。EXOs還可以介導神經(jīng)系統(tǒng)中細胞間通訊，如在神經(jīng)突觸通訊時，添加GABAA受體拮抗劑可以使突觸前細胞釋放EXOs，并調(diào)節(jié)突觸強度和逆行信號[8]。EXOs可以與靶細胞相互作用，參與中樞神經(jīng)細胞之間、SCs與軸突之間的信號交流[9]。

這些證據(jù)表明，EXOs中富含多種因子，參與神經(jīng)系統(tǒng)正常運行，并且在神經(jīng)系統(tǒng)的再生和重塑中起到重要作用，有助于研究者進一步探究神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生機制，尋找新的治療方法。

二、EXOs與神經(jīng)病變

1.EXOs與中樞神經(jīng)病變：中樞神經(jīng)病變的診斷多依靠癥狀表現(xiàn)和影像手段，有時并不準確并貽誤治療時間，因其病變位置的特殊性，一般治療藥物無法到達血-腦脊液屏障。EXOs與傳統(tǒng)神經(jīng)細胞釋放的囊泡不同，可以攜帶多種活性物質(zhì)，直接參與細胞間信息交流和物質(zhì)交流，促進神經(jīng)祖細胞的增殖和分化，以及促進神經(jīng)回路的發(fā)育，在維持神經(jīng)元穩(wěn)態(tài)和神經(jīng)保護方面發(fā)揮重要作用，是神經(jīng)元健康的調(diào)節(jié)劑。同時，EXOs攜帶了與AD、PD等疾病相關的錯誤折疊形式的蛋白質(zhì)，可能參與了神經(jīng)退行性疾病的致病過程[10]。此外，由于EXOs內(nèi)含物隨機體的生理病理狀態(tài)改變以及EXOs結(jié)構(gòu)的特殊性，在診斷和治療中樞神經(jīng)病方面，展現(xiàn)了光明的前景。以下以AD和PD為例，說明EXOs對中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的作用。

EXOs對AD的作用：AD是一種記憶和認知功能進行性喪失且不可逆的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，其主要病理特征包括淀粉樣β肽1-42蛋白聚集和磷酸化tau蛋白誘導神經(jīng)細胞凋亡。文獻表明，EXOs因其可在神經(jīng)細胞之間進行信息交流而可能攜帶毒蛋白參與了AD的發(fā)生。因此，檢測EXOs中特定的毒蛋白可以作為診斷AD的一種新方法，如AD患者腦脊液和血漿EXOs中全長tau蛋白遠高于正常人[11]。此外，AD患者血漿EXOs中miRNA-223、miRNA-212、miRNA-132等表達水平與健康志愿者組比較發(fā)生了顯著變化，因此，EXOs來源miRNA可以作為AD早期診斷的標志物[12]。EXOs對AD有潛在的治療作用，如間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cell, MSC)來源EXOs可以通過調(diào)節(jié)免疫、抗炎，促進β-淀粉樣蛋白降解，保護神經(jīng)元并促進神經(jīng)元軸突生長，有助于治療AD[13]。EXOs也被用于充當遞送藥物的載體治療AD，載有槲皮素的血漿EXOs可以通過抑制磷酸化的tau介導的神經(jīng)元纖維纏繞而改善AD小鼠認知功能，表現(xiàn)出治療AD的潛力[14]。

EXOs對PD的作用：PD是一種進行性運動障礙，是僅次于AD的第二大常見的神經(jīng)退行性疾病，發(fā)病機制復雜。有文獻表明，路易體的存在、氧化應激、細胞凋亡等多種機制以及分子途徑共同作用誘導多巴胺能神經(jīng)元變性，最終導致PD的發(fā)生[2]。EXOs可以作為PD的生物學標志物，有文獻分析了PD患者血漿EXOs中差異表達的miRNAs，發(fā)現(xiàn)PD患者血漿EXOs中miR-19b、miR-24和miR-195等水平比健康志愿者組變化表達明顯，可以作為PD診斷潛在的生物學標志物[12]。EXOs對PD有一定的緩解作用。有研究發(fā)現(xiàn)，MSC來源EXOs可以攜帶有益的miRNA，并與神經(jīng)元細胞相互作用，可以減少PD動物模型中的神經(jīng)炎癥并促進神經(jīng)發(fā)生[15]。EXOs可被用作藥物的運輸工具，將攜帶特定外源性干擾RNA的EXOs遞送至PD小鼠中，可以降低多巴胺神經(jīng)元的死亡，改善臨床癥狀[16]。

2.EXOs與周圍神經(jīng)病變：周圍神經(jīng)病(peripheral neuropathy，PN)是一類復雜而普遍的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，周圍神經(jīng)由神經(jīng)纖維、支持組織和營養(yǎng)血管組成，神經(jīng)纖維分為有髓鞘和無髓鞘纖維，髓鞘主要由髓磷脂和施萬細胞(Schwann cells，SCs)構(gòu)成。PN的病理機制復雜，如機體長期處于高糖狀態(tài)，引起周圍神經(jīng)損傷，軸突變性消失，神經(jīng)干遭到破壞，受損神經(jīng)局部微環(huán)境改變，導致糖尿病周圍神經(jīng)病變(diabetic peripheral neuropathy, DPN)。研究證實，EXOs可直接作用于SCs，并有利于神經(jīng)再生，下面以DPN為例，說明EXOs對周圍神經(jīng)病變的作用。

EXOs對SCs的作用：SCs是周圍神經(jīng)主要的神經(jīng)膠質(zhì)細胞，負責周圍神經(jīng)髓鞘的形成。SCs可以分泌多種神經(jīng)營養(yǎng)因子，如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子，神經(jīng)生長因子等，促進軸突的生長，并為神經(jīng)元的存活提供適宜的微環(huán)境[3]。DPN主要病理改變是SCs損傷，神經(jīng)纖維脫髓鞘。周圍神經(jīng)損傷(peripheral neuropathy injury, PNI)后，發(fā)生瓦勒變性，這個反應是PNI后神經(jīng)再生的必要準備階段，SCs在瓦勒變性中發(fā)生增殖并吞噬分解軸突和髓磷脂，還發(fā)生遷移以指導新生軸突的再生方向，因此，SCs可以作為DPN的靶標[17]。

EXOs可以作用于SCs從而改善DPN，促進神經(jīng)再生。人類脂肪干細胞(adipose-derived stem cells， ADSCs)來源EXOs可以體外上調(diào)相關基因，促進SCs增殖、遷移，髓鞘化和神經(jīng)營養(yǎng)因子的分泌，體內(nèi)實驗經(jīng)過ADSC-EXOs治療，大鼠坐骨神經(jīng)軸突再生、髓鞘化顯著恢復，同時ADSCs來源EXOs可以通過改變凋亡相關基因的表達來減少細胞凋亡，促進SCs增殖，從而促進周圍神經(jīng)再生[18，19]。牙齦間充質(zhì)干細胞(gingival mesenchymal stem cells， GMSCs)EXOs可以顯著促進SCs增殖和背根神經(jīng)元軸突的生長，體內(nèi)研究表明，GMSCs來源EXOs與可生物降解的殼多糖導管結(jié)合可以顯著增加神經(jīng)纖維數(shù)量和直徑，并促進髓磷脂形成[20]。SCs自身分泌的EXOs也有助于神經(jīng)修復。實驗研究發(fā)現(xiàn)，靜脈注射健康SCs衍生的EXOs至2型糖尿病小鼠中，可以促進小鼠坐骨神經(jīng)髓鞘再生，明顯改善DPN，體外數(shù)據(jù)顯示SCs-EXOs促進糖尿病背根神經(jīng)元的神經(jīng)突增生，促進SCs的遷移[21]。PNI后修復型SCs可以分泌高表達miRNA-21的EXOs，促進神經(jīng)突的生長，促進軸突再生[22]。

EXOs對神經(jīng)炎性反應和血管再生的作用：PNI后的神經(jīng)再生還涉及到神經(jīng)炎性反應和血管再生。在瓦勒變性過程中，除SCs外，巨噬細胞和其他外周免疫細胞募集在損傷部位，促進髓鞘和軸突碎片的清除。而血管網(wǎng)絡的重建可以為周圍神經(jīng)修復過程中的組織再生和生理功能恢復提供適宜的微環(huán)境[17]。EXOs不僅可以作用于SCs，還可以參與神經(jīng)炎性反應、氧化應激，并促進血管再生，有助于神經(jīng)修復。

實驗研究表明，將MSC來源EXOs靜注至鏈脲佐菌素誘導的糖尿病小鼠中，可以使小鼠周圍神經(jīng)組織中巨噬細胞M1表型轉(zhuǎn)化為M2表型，從而降低促炎細胞因子水平；生物信息學分析表明，MSC來源EXOs含有的miRNA有助于TLR4/NF-κB信號通路的下調(diào)，表明MSC來源EXOs可以通過抑制促炎基因減輕DPN[23]。神經(jīng)損傷后，巨噬細胞來源EXOs可以釋放功能性NADPH氧化酶2復合物，進入到受損的軸突中與活性氧作用，刺激PI3K/AKT通路信號轉(zhuǎn)導和產(chǎn)物再生，幫助軸突再生以及功能恢復[24]。MSC來源EXOs可以攜帶與調(diào)控血管生成的miRNA穿梭于各種細胞之間，并將這些miRNA轉(zhuǎn)移至內(nèi)皮細胞，起到促進血管生成的作用[25]；也有研究發(fā)現(xiàn)，將GMSCs來源EXOs裝載到殼聚糖/絲綢水凝膠海綿中，可以明顯增加糖尿病小鼠的微血管數(shù)量和神經(jīng)纖維密度，增強血管生成和神經(jīng)元生長[26]。ADSCs來源EXOs內(nèi)含物本身含有促進神經(jīng)生長的神經(jīng)營養(yǎng)因子，如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子，神經(jīng)生長因子等，證實EXOs有成為神經(jīng)再生治療工具的潛力[27]。

三、展 望

EXOs廣泛存在于機體體液中，不同來源EXOs可以特異性反映不同組織的生理病理狀態(tài)，神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者體內(nèi)的EXOs內(nèi)含物的特異性，可以作為疾病的標志物，為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的早期診斷指標提供了機遇[4]；EXOs由于其穩(wěn)定性、低免疫原性、血-腦脊液屏障通透性和選擇性遞送的特性，可以攜帶藥物并被靶細胞特異性攝取從而發(fā)揮治療作用。但是EXOs的研究仍面臨許多挑戰(zhàn)，如EXOs中miRNA分選機制并不明晰，EXOs的分離和純化無確定標準，混合EXOs的技術(shù)尚未成熟，攜帯藥物的EXOs與治療藥物合用時可能會產(chǎn)生不良反應，無法保證攜帶藥物的EXOs的穩(wěn)定性以及能夠準確地被靶細胞識別攝取等[9]。但不可否認的是，EXOs在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究中擁有廣闊前景。EXOs在不同組織都可產(chǎn)生，作為細胞間信息傳遞的媒介，不僅維持著神經(jīng)系統(tǒng)的生理功能，還可以傳遞神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關物質(zhì)作用于靶細胞，在疾病過程中發(fā)揮關鍵作用[10]。EXOs作為信息傳遞和藥物治療研究的工具，為深入研究神經(jīng)系統(tǒng)疾病的作用機制和診治開拓了新思路。