外泌體在衰弱發病機制和診療中的潛在作用

王學 陳旭嬌*

隨著全球人口老齡化進展加速，預計2050 年全球人口老齡化將達到20 億左右，中國老齡人口將達4 億以上［1］。衰弱作為一種與增齡相關的臨床綜合征，其特征是機體多個生理系統失調引起生理儲備降低，個體抵抗內源性或外源性打擊的能力下降，易導致失能、跌倒、住院及死亡的風險增高［2］。目前衰弱的診斷尚無統一標準，現臨床和科研上應用最廣泛的是Fried 衰弱標準。我國社區衰弱及衰弱前期患病率分別為12.8%和45.4%，女性衰弱患病率高于男性，且隨著年齡的增加而升高。衰弱個體的生理系統失調累及肌肉骨骼系統、慢性炎癥、免疫系統、內分泌系統以及神經系統，其中慢性炎癥是衰弱發展的關鍵［3］。目前識別和監測衰弱發生發展的核心生物標志物主要有炎癥因子、免疫細胞、氧化應激產物、表觀遺傳標記、各類激素和內分泌因子以及微小RNA，但其診斷、預測預后和治療衰弱的潛力尚不明確，有待進一步研究評估和驗證。本文對外泌體與衰弱的發病機制及診療相關研究進展作如下綜述。

1 外泌體在衰弱發病機制中的潛在作用

外泌體是大小為40～150 nm 的細胞外囊泡，含有豐富的蛋白質、脂質、短肽鏈、mRNA、miRNA、長鏈非編碼RNA等，參與遠近細胞、組織和器官間通訊，抗原呈遞以及調節蛋白質翻譯過程，被認為是疾病進展中的具有潛在價值的生物標志物［4］。外泌體所占比例最高的是蛋白質類，并參與一系列基本的細胞生物學過程，如細胞粘附、膜融合、新陳代謝和信號轉導等［5］。外泌體通用的涉及膜轉運、融合及信號轉導等主要相關蛋白有GTPases 蛋白、膜聯蛋白和脂筏標記蛋白，同時還包括熱激同源蛋白70（HSC70），熱休克蛋白90（HSP90）以及主要組織相容性復合體Ⅱ類（MHC Ⅱ）等抗原呈遞分子。CD9、CD63 和CD81 四跨膜蛋白，以及與質膜相關的其它蛋白質存富集于外泌體，被認為是外泌體特異性標志物。VALADI 等［6］首次報道肥大細胞衍生的外泌體內含mRNA 和miRNA。miRNA 是一種含有21-23 個核苷酸的單鏈非編碼RNA，可結合mRNA 的3'端非翻譯區（3'-UTR）而影響轉錄后水平的基因表達，與較多生物學過程相關，例如胚胎發育、增殖、分化和凋亡。

有多項證據支持，在個體衰老進程中及與增齡相關疾病患者循環中的外泌體水平均存在動態變化［7］。此外有學者指出，外泌體介導的信息傳導與衰弱潛在的分子機制，即與增齡相關的免疫系統炎癥激活（炎癥衰老）以及免疫系統功能重塑（免疫衰老）有關［8］。IPSON 等［9］根據Fried 衰弱標準入組衰弱患者，設立健康對照組和年輕對照組，通過比較各組間血漿中外泌體水平發現衰弱患者血漿中富含8 種特定的外 泌 體miRNA：miR-10a-3p、miR-92a-3p、miR-185-3p、miR-194-5p、miR-326、miR-532-5p、miR-576-5p 和miR-760。PICCA 等［10］研究衰弱合并肌肉衰減癥患者與老年健康對照組的血清外泌體比較，發現衰弱合并肌肉衰減癥患者血清中外泌體水平明顯升高，且部分線粒體氧化電子傳遞鏈成分以外泌體形式損失，與衰弱潛在的慢性炎癥機制密切相關。

1.1 外泌體與骨骼肌肉系統 肌肉衰減癥也稱肌少癥，特征是與年齡相關的肌肉質量減少、肌肉力量和功能下降，與衰弱密切相關，且兩者存在部分共同病因及病理生理學機制［11］。有研究發現，骨骼肌細胞衍生的外泌體miRNA 可調節肌肉再生和蛋白質合成［12］。CHOI 等［13］通過體外研究發現人骨骼肌成肌細胞（HSkM）衍生的外泌體攜帶多種信號因子，包括肌源性生長因子、胰島素樣生長因子（IGF）以及成纖維細胞生長因子2（FGF2）等，可誘導人脂肪間充質干細胞（HADSC）的成肌分化，從而顯著提高肌肉損傷小鼠模型的肌肉再生能力。MOBLEY 等［14］提取并分離得到牛乳來源的外泌體，接種于C2C12 骨骼肌細胞培養基中，證實乳清蛋白來源的外泌體具有增強肌肉再生和肌肉蛋白的合成的功能。骨骼肌源性外泌體miRNA（myomiRs）的相關研究為發展，基于應用外泌體miRNA 來提高肌肉質量和功能的方法提供了基礎，外泌體可能在未來發展為干預衰弱合并肌少癥的無細胞療法。

1.2 外泌體與炎癥 慢性系統性炎癥和線粒體功能障礙是衰弱合并肌少癥發生發展的潛在因素［15］。外泌體攜帶能夠作用于遠近靶點的炎癥調節劑（miRNA 和蛋白質），可經受體介導將內部調節因子轉移至靶細胞參與炎癥過程，在炎癥信號級聯反應中起關鍵作用［16］。有研究表明，外泌體含有的線粒體DNA（mtDNA）可表現為損傷相關分子模式（DAMPs），通過結合Toll 樣受體（TLR），Nod 樣受體蛋白3（NLRP3）炎性小體以及與胞質環鳥苷酸-腺苷酸-干擾素基因刺激蛋白（cGAS-cGAMP-STING）傳感信號通路的相互作用，從而激活炎癥途徑［17］。此外，有學者研究發現外泌體miRNA 可通過調控TLR 傳導途徑和核因子-kappaB（NF-κB）信號通路，從而調節炎癥因子的循環水平，是細胞衰老和炎癥相互作用的重要調節劑［18］。PICCA 等［19］對帕金森病（PD）患者和非PD 患者的血清進行分離純化得到具有特定線粒體特征的外泌體（MDV），并通過多重免疫測定法證實循環中外泌體水平與全身性炎癥正相關。外泌體參與調控衰老以及與增齡相關疾病的炎癥機制的特性，可讓其成為識別衰弱的新生物標志物和干預措施的潛在靶標。

1.3 外泌體與免疫系統 免疫系統老化又稱免疫衰老，特征是衰老過程中發生的適應性免疫系統功能下降，是衰弱發展的潛在因素之一，并可導致老年人對衰弱的易感性增加［20］。抗原細胞衍生的外泌體攜帶多種抗原物質，包括微生物蛋白和多種調節性RNA，在細胞免疫和非細胞免疫過程中扮演著重要角色。抗原呈遞細胞（APC）可將抗原細胞衍生的外泌體部分內化加工形成表面的肽/MHC 復合物（p-MHC），并呈遞給T 細胞，從而激活T 細胞免疫活性，發揮免疫應答效應［21］。BELTRI 等［22］研究發現外泌體中的異質核糖核蛋白A2B1（hnRNPA2B1）與miRNA 結合后被磺酰化，可通過識別外泌體過度表達的短序列基序，控制特定的miRNA 裝載進入外泌體囊泡，參與免疫應答過程，闡釋外泌體miRNA 的免疫調節功能。由此可見，外泌體miRNA 在衰弱潛在的免疫衰老過程中具有高效的診斷及檢測價值。

1.4 外泌體與內分泌系統 下丘腦-垂體軸具有調節糖皮質激素分泌、IGF 信號傳導和雄激素的生成的功能，與衰弱的發生發展密切相關［23］。ZHANG 等［24］研究證實下丘腦神經干細胞源性外泌體miRNA 具有介導延緩衰老和衰弱的作用。IGF在細胞衰老和凋亡分子機制中發揮至關重要的作用，涉及衰老及與增齡相關疾病的病理生理過程。IGF 可通過上調外周循環中外泌體miRNA 水平調節NF-κB 信號通路，進而抑制神經元炎癥［25］。過氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）是全身脂質代謝和胰島素敏感性的有效調節劑，有研究證實脂肪細胞源性外泌體miR-27a 可靶向PPARγ 誘導骨骼肌的胰島素抵抗，進而導致骨骼肌葡萄糖攝取受損，骨骼肌質量下降以及骨骼肌蛋白合成減少，是衰弱的關鍵因素之一［26］。總之，外泌體在衰弱與內分泌系統相關效應中可能發揮潛在的調節作用。

1.5 外泌體與神經系統 有研究統計，超過1000 個miRNA靶向大約60%的基因，其中大約70%的miRNA 在大腦中表達，調節神經元和神經膠質細胞功能［27］。有研究發現，外泌體miR-29b 在神經元細胞成熟過程中靶向調節B 淋巴細胞瘤-2 基因（Bcl-2）家族的促凋亡BH3 蛋白Bim、Bmf、Hrk、Puma 和N-Bak，從而抑制神經元凋亡［28］。除此以外，外泌體蛋白質在調節神經發育、突觸和血管形成方面發揮關鍵作用。認知功能下降和神經退行性疾病，如阿爾茨海默氏癡呆癥（AD），與衰弱存在共同的病理分子機制［29］。MCBRIDE 等［30］研究證實間充質干細胞源性外泌體膜表面相關Wnt3a 蛋白可激活Wnt/βcatenin 信號傳導途徑，調節神經元生發過程，從而改善認知缺陷。病理性tau 蛋白在神經元的積累是AD 的主要標志，HIROHIDE 等［31］研究AD 小鼠模型發現小膠質細胞源性外泌體以旁分泌形式在神經元間傳播tau 蛋白，導致tau蛋白的大量積累。外泌體在神經系統疾病中調節神經元功能的機理為研究衰弱的神經系統發展提供新的方向。

2 外泌體作為衰弱診療工具的可能

近年來，外泌體分離鑒定技術飛速發展，可大幅擴增生物體液中外泌體miRNA 的敏感性，從而使外泌體miRNA 成為衰弱等與增齡相關疾病的潛在可能生物標志物［32］。衰弱患者較健康老年人的外周循環中特定的外泌體miRNA 水平升高，證實外泌體miRNA 具有作為診斷衰弱生物標志物的可能性，其臨床診斷價值相較于衰老相關分泌表型，更符合微量、微創、精度高的要求，但其在衰弱早期的變化尚待進一步的研究［10］。

多項證據表明，外泌體具有作為調節劑及藥物載體的作用，且已有應用外泌體作為治療與增齡相關疾病的工具，包括2 型糖尿病、骨質疏松癥、骨關節炎、心血管疾病、神經退行性疾病和癌癥［33］。以上證據支持外泌體miRNA 在疾病發生發展中存在動態變化趨勢，具有監測治療或疾病預后的潛力。近年來間充質干細胞源性外泌體作為臨床疾病的替代治療受到廣泛的關注，CHOI 等［34］研究表明外泌體可觸發干細胞向肌細胞分化，為外泌體應用于促進肌肉再生提供重要的生物證據。有文獻證實間充質干細胞衍生的外泌體可以在相鄰細胞間發揮信號傳導作用，維持體內穩態微環境便于組織修復，作為用于治療炎性疾病和組織損傷的潛在機理，且在此基礎上進一步研究發現脂多糖（LPS）預處理的間充質干細胞源性外泌體可通過let-7b 穿梭靶向調節TLR4，從而緩解慢性炎癥和促進皮膚傷口的愈合［35］。體力活動或鍛煉是干預衰弱的重要措施之一。CHATURVEDI 等［36］體外研究表明，運動后心肌細胞衍生的外泌體miR-29b 和miR-455 水平上調，靶向結合MMP9 基因的3'區域并抑制其表達，從而下調糖尿病小鼠心臟組織中基質金屬蛋白酶9 的有害下游影響。由此可見，以外泌體作為調節衰弱潛在干預靶標將為介導延緩衰弱提供更多可能。

3 討論

衰弱是一個動態的、多方面的過程，早期診療對衰弱的改善或逆轉至關重要，外泌體可作為敏感和特異性的衰老及衰弱潛在的生物標志物，幫助預測或提早干預衰弱的進程。基于分子、細胞等多層次，明確衰弱及衰弱前期患者外泌體蛋白質、miRNA 等功能性生物因子在細胞衰老及老年衰弱中的作用，以及外泌體miRNA 與衰弱相關信號通路的作用機制均有待進一步研究，從而為老年衰弱的臨床診療提供新的靶點。