外泌體在阿爾茨海默病中的研究進展

于馨蕊 王瑩

1 概述

AD是一種以認知功能障礙和行為損傷為主要臨床表現的神經系統退行性疾病。其病理特征是一系列相互作用的病理生理級聯反應，包括β淀粉樣蛋白(β-amyloid， Aβ)的異常聚集和源自高磷酸化tau蛋白的神經原纖維纏結的形成。作為癡呆癥的主要原因，AD約占所有病例的60%～80%[1]，而癡呆癥又是AD晚期不可逆和不可治愈的綜合征。因此，應該投入更多的精力來確診高風險或臨床前AD人群，以便盡早干預和改進治療方案。外泌體是細胞外囊泡的一種納米級亞型，其可以攜帶小的遺傳片段和有毒蛋白質，并在細胞和細胞外液之間運輸[2-3]，這可能是神經退行性疾病進展的機制，因此也提出了基于外泌體檢測和干預的AD早期診斷和生物學治療的新途徑。本文綜述了外泌體在AD中的研究進展。

2 外泌體的生物學特性

在中樞神經系統中，外泌體參與調節神經元發育、再生和突觸功能，并且可以被大多數細胞類型，如神經元細胞、星形膠質細胞、少突膠質細胞和小神經膠質細胞釋放[4-5]。一旦釋放到細胞外環境，外泌體便可以充當信使，被鄰近的細胞捕獲或被一定距離的細胞內化，或者進入體液被不同的組織吸收[6]，進而發揮消除細胞廢物，調節免疫應答等生理作用[7-8]。此外，外泌體也參與神經炎癥和氧化應激，并在病理作用下，參與傳播錯誤折疊的蛋白質，從而導致疾病的發生和傳播[9]。

此外，修飾的外泌體靜脈給藥可成功地將外源性RNA傳遞到小鼠的腦組織中，這表明修飾的外泌體可能會跨越生物屏障，例如血腦屏障[10]。由于其內含各種各樣的分子，例如蛋白質、脂質和遺傳物質，因此可以利用外泌體含量檢測和外源性遺傳物質修飾技術將外源性遺傳物質傳遞至神經細胞的作用部位，并為疾病生物標記物檢測和神經系統疾病(如AD)的治療創造新的途徑。

3 外泌體參與AD的發病進程

AD的第1個病理標志是Aβ在腦實質的異常聚集。Dinkins等[11]通過5xFAD小鼠模型研究證實了外泌體可以促進Aβ聚集并加速淀粉樣斑塊的形成。為進一步研究， Sinha等[12]首次通過細胞內Aβ的毒性寡聚體(Aβoligomers，oAβ)與外泌體共定位的方法，證明AD腦源性外泌體可以介導oAβ完成在神經元之間的擴散，進而在AD的發病進展中發揮作用。

AD的第2個病理標志是神經元內神經原纖維纏結，這是由于過度磷酸化的微管相關蛋白tau的積累。而多項研究表明，tau可以通過外泌體從神經元中分泌出來[13]。在AD中，tau的病理過程以明確的模式發展：首先涉及的區域是內嗅皮層(Braak Ⅰ～Ⅱ期)，然后發展到邊緣區域(Braak Ⅲ～Ⅳ期)，最后到達新皮質區(Braak Ⅴ和Ⅳ期)[14]。多年來，人們已經討論了這種擴散模式在人類大腦中的傳播機理。越來越多的證據表明,病理性tau蛋白以類朊病毒的方式聚集、復制和擴散，繼而被受體細胞攝取，導致單體tau蛋白錯誤折疊聚合[15-16]。但由于tau蛋白缺乏分泌途徑的信號序列，無法進行神經細胞之間的傳播，便需要通過外泌體介導的途徑來完成有毒蛋白質的傳播[17]。

此外，AD的重要特征是慢性神經炎癥和氧化應激的活躍，進而導致不可逆的神經元功能障礙和細胞死亡[18]。而外泌體也參與神經炎癥和氧化應激的過程，兩者又均是Aβ積累和tau蛋白過度磷酸化的觸發因素[19]。外泌體可釋放炎性因子，使其從一個細胞擴散到另一個細胞，近而引發炎癥級聯反應[8]，而除釋放炎性因子外，外泌體還可以通過響應病原刺激而轉移炎性介質，近而影響其他細胞[8]。因此，外泌體是傳播炎癥進而影響AD病程的關鍵因素。

除神經細胞相互作用外，受損細胞的外泌體還可與神經膠質細胞相互作用。因此，星形膠質細胞不僅不能支持保護神經元，而且會通過促進鄰近細胞的二次凋亡而產生有害于神經元和星形膠質細胞本身的毒性環境。AD中星形細胞凋亡的機制可能與分泌蛋白酶活化受體4 /神經酰胺的外泌體有關，星形膠質細胞傾向于與外泌體更多地相互作用并積累大量的Aβ原纖維，隨后，這種積累導致體內溶酶體系統改變，進而誘導細胞死亡[20]。此外，研究發現中性鞘磷脂酶2 (neutral sphingomyelinase 2，nSMase2)可以調節外泌體的分泌，缺乏nSMase2的星形膠質細胞可以免受Aβ誘導的細胞凋亡[21]。

盡管外泌體參與了AD的發病進程，但在神經系統中他們是活躍的使者，可以保護神經元免受氧化應激[22]。在AD研究中，發現外泌體既在毒性蛋白的擴散中起作用，又在Aβ的清除上起作用，可減輕神經系統的損傷。在細胞外液中，源自N2a細胞的外泌體可以消除來自AD大腦衍生的Aβ造成的突觸可塑性的破壞。這主要因為外泌體表面蛋白(PrPc)對Aβ低聚物具有高度的親和力，使得外泌體可以結合并隔離小的oAβ[23]，進而防止Aβ干擾神經元功能。

4 外泌體作為AD診斷的生物標志物

在有明顯的臨床癥狀表現之前，生物標志物對提高AD診斷敏感性和特異性以及監測AD的生物學活性是必要的。外泌體是各種神經退行性疾病中細胞與細胞外液之間特定毒性蛋白質的載體，并且其中的毒性蛋白質可以在疾病的早期階段被檢測到。因此，從體液中檢測外泌體中的特定毒性蛋白有望成為診斷早期AD和其他神經退行性疾病的一種方法[24]。

外泌體具有通過胞吞作用穿越血液屏障的能力，且致病狀態下主要含疾病特異性或失調的微小RNAs (microRNAs, miRNAs)，這使得miRNA在疾病診斷中占據優勢，并有望成為新的 AD診斷生物標志物。Lugli等[25]通過對比AD病人和健康對照者血漿中miRNAs的差異表達，發現共有20個miRNAs被下調，4個miRNAs被上調(miR-548at-5p、miR-138-5p、miR-5001-3p和miR-659-5p)以及7個明顯下調的miRNAs。其中miR-342-3p被認定是診斷AD的獨立生物標志物。Cheng等[26]的一項研究對血清外泌體miRNA進行了測序分析并發現14種可能用作生物標記物的miRNAs明顯上調：miR-361-5p、miR-30e-5p、miR-93-5p、miR-15a-5p、miR-143-3p、miR-335-5p、miR-106b-5p、miR-101-3p、miR-425-5p、miR-106a-5p、miR-18b-5p、miR-3065-5p、miR-20a-5p和miR-582-5p；3種可能用作生物標記物的miRNAs明顯下調。綜上所述，外泌體中的miRNA可以為AD提供準確的早期診斷。

數項關于早期檢測AD病人腦脊液(cerebrospinal fluid，CSF)和血漿中Aβ1-42的研究表明，比起血漿中的Aβ1-42，CSF中的Aβ1-42更適合用作AD生物標志物[27-30]。由于CSF中Aβ主要來源于病變細胞分泌的外泌體，因此檢測CSF外泌體中的Aβ1-42有望改善AD的診斷敏感性。在聯合檢測CSF P-tau和Aβ1-42的研究中，CSF外泌體中Aβ1-42和P-tau蛋白的聯合檢測對AD的早期診斷可能更有價值[31]。Fiandaca等[32]進一步研究發現，血漿中神經細胞來源的外泌體中P-S396-tau、P-T181-tau和Aβ1-42的水平可以預測在臨床發病前長達10年的AD發生。此外，外泌體中Aβ1-42的表達水平還可以作為檢測AD病程進展的標志物。

5 外泌體對AD的治療作用

多項研究表明，間充質干細胞來源的外泌體可促進神經元功能恢復[33]、神經血管可塑性[34-35]以及修復腦外傷和神經退行性疾病中的受損傷組織，實現神經保護的作用。因此，有可能使用間充質干細胞來源的外泌體對AD進行治療。此外，通過大腦內給藥的方法，可利用外泌體表面糖鞘脂上富集的聚糖使外泌體與Aβ結合，從而起到有效清除Aβ的作用[36]，這為AD提供了新的治療手段。

由于外泌體RNA的轉運能力、在體液中的穩定存在以及穿越血腦屏障的能力，其可以用作載體，通過遞送核酸片段(例如miRNA和siRNA)來治療AD。多項體外和體內研究表明，間充質干細胞外泌體能將功能性miRNA轉移至神經細胞并促進神經元重構，抑制細胞凋亡，從而促進神經元功能恢復[35,37]。例如，Xin等[35]證實富含miR-133b的外泌體可促進神經血管可塑性，從而大大增強了神經細胞的生長。在另一項研究中，通過外泌體遞送miR-124a增強了星形膠質細胞表面興奮性氨基酸轉運蛋白2的表達，從而調節突觸活性并改善谷氨酸的吸收[38]，該方法也有望減輕AD的神經元凋亡。

6 小結

綜上，由于外泌體的細胞起源和形成條件的不同，外泌體可能對AD的發病過程產生“雙刃劍”作用：既可以傳播有毒蛋白質和誘導AD進展，又可以清除毒性蛋白，減輕神經系統的損傷。此外，由于其獨有的生物學特性，外泌體可能還將成為AD早期診斷和治療的新熱點。