間充質干細胞來源外泌體治療腎臟疾病的作用機制研究進展

張彥清，石浩，王家平

1 昆明醫科大學附屬昆明市兒童醫院放射科，昆明650500；2 昆明醫科大學第二附屬醫院放射科

腎臟疾病是世界范圍內病死率增長的原因之一。各種原因所致的腎臟疾病可能進展到慢性腎臟?。–KD），尚無有效的治療措施。間充質干細胞（MSCs）是一類具有自我更新和多分化潛能的成體干細胞，目前普遍認為MSCs 主要通過旁分泌作用發揮功能［1］，直徑為40～100 nm 的囊泡是其重要傳導媒介，這些囊泡被命名為外泌體。外泌體包含多種細胞質和膜蛋白，包括受體、酶、轉錄因子、細胞外基質蛋白、核酸和脂質。外泌體的功能廣泛，除了參與細胞間信息交流，還具有轉運RNA 和調節免疫應答的作用［2］。來源于MSCs 的外泌體通過將活性生物分子（如肽、蛋白質和RNA）封閉并輸送到受損細胞或組織，從而促進組織再生［3］。近年研究表明，MSCs的修復腎損傷、保護腎功能的作用大多是通過旁分泌多種物質而實現。目前認為干細胞的旁分泌效應可能是治療腎臟疾病的有效策略。現就MSCs來源的外泌體（MSC-Exo）治療腎臟疾病的機制相關研究進行綜述。

1 抑制細胞凋亡

細胞凋亡是一種特殊類型的細胞死亡，是由基因調控的單個細胞自我死亡過程，對于維持適當數量的細胞以及正常組織結構至關重要［4］。細胞凋亡早期階段的特征是核染色質的緊縮和邊緣化、細胞質的濃縮和核碎裂，隨后形成凋亡小體，從而被正常細胞清除。凋亡在腎損傷中也起著關鍵作用，HARRISON 等［5］首先通過光學和電子顯微鏡觀察發現人腎小球腎炎中存在凋亡小體，并認為一定的凋亡能使細胞增殖過多的腎小球恢復正常。研究表明，細胞凋亡是腎小球硬化過程中進行性細胞丟失的重要原因，腎小球凋亡細胞的數量隨著腎小球硬化的進展而增加［4］。在狼瘡性腎炎和IgA 腎病的腎小球中可見凋亡細胞積聚，并且腎小球硬化指數和凋亡指數與腎功能下降密切相關［6］。因此，如何避免腎固有細胞過度凋亡損傷一直是治療腎臟疾病的關鍵。

研究表明，在大鼠體內移植MSC-Exo 可以降低血肌酐和尿素氮水平，并通過抑制細胞凋亡促進細胞恢復，減輕腎損傷嚴重程度［7］。ZHANG 等［8］也報道了MSC-Exo可減輕腎小管損傷，改善腎小管功能，減少細胞凋亡。類似研究表明，移植MSC-Exo 可減輕腎缺血再灌注腎缺血再灌注（IRI）誘導的急性腎損傷（AKI），并抑制腎小管上皮細胞凋亡和纖維化進程［9］。MSC-Exo 治療后，順鉑誘導的AKI 大鼠腎組織中Bcl-2 蛋白、細胞色素C、活化的Caspase-3 表達減少，同時抗凋亡蛋白表達水平增加［10-11］。還有研究報道，MSC-Exo 可能通過作用于miR-199a-3p，下調IRI 小鼠腎臟組織中Bax、Caspase-3 和信號素Sema3A 的表達，抑制腎細胞凋亡［12］。BRUNO 等［13］也發現，MSC-Exo 可誘導抗凋亡基因Bcl-xl、Bcl-2 和BIRC8 的表達，下調促凋亡基因Caspase-1、Caspase-8 和LTA 的表達，從而在IRI 模型中促進腎細胞存活。另外，MSCs 外泌體中富含特定的mRNA（CDC6、CDK8 和CCNB1）及肝細胞生長因子和類胰島素生長因子，可以在阻斷凋亡的同時誘導腎小管上皮細胞進入細胞周期和增殖［14］。上述結果表明，MSC-Exo通過減少細胞凋亡來治療腎臟疾病。

2 減輕氧化應激

氧化應激是氧化系統和抗氧化系統之間不平衡的結果，是由于自由基產生過多或抗氧化機制失衡引起的。腎臟是產生活性氧（ROS）的器官［15］。氧化應激在腎功能損害的病理生理學過程中起作用，并且是CKD 進展的介質［15］。CKD 進展的特點是細胞丟失、再生功能性薄壁組織的能力下降、呼吸功能障礙，腎臟纖維化、腎小管和腎小球細胞受損，導致ROS產生增加［15］。ROS在組織中的積累可能是導致細胞凋亡的原因，也可能是細胞凋亡的結果［16-17］。研究表明，對順鉑誘導的AKI 大鼠注射MSC-Exo 可減少ROS 產物（如8-羥基脫氧鳥苷），增加谷胱甘肽含量，減少腎實質細胞凋亡，還可以激活細胞外信號調節激酶（ERK），促進腎小管上皮細胞增殖［17］。MSC-Exo 的抗氧化活性可能涉及核因子E2 相關因子（Nrf2）表達上調［8］，后者是一種結合抗氧化反應元件的轉錄因子，可提高ROS 清除酶的表達，如超氧化物歧化酶和血紅素加氧酶1［18］。研究表明，MSC-Exo 和微泡［19］分別通過下調NOX2 表達減輕單側腎缺血和IRI 大鼠的氧化應激，可能是因為MSCExo 傳遞的miRNA 激活Nrf2 或抑制NOX2 表達。另一項IRI 相關研究發現，MSC-Exo 通過激活Keap1-Nrf2信號通路，刺激線粒體抗氧化防御和ATP生成，通過減少線粒體碎片，保護腎近端小管上皮細胞免受氧化損傷，使線粒體膜電位正常化，增加線粒體DNA 拷貝數。而且，有學者發現，miR-200a-3p 可被MSC-Exo轉運至腎近端小管上皮細胞，靶向Keap1-Nrf2信號通路，進行修復腎近端小管上皮細胞線粒體的功能［20］。上述實驗結果表明，MSC-Exo 中的miRNA可通過調節細胞內信號通路來減輕腎臟氧化應激，從而達到治療腎臟疾病的效果。

3 抗纖維化

腎纖維化是許多進行性腎臟疾病的最終共同途徑，其特征是細胞外基質（ECM）蛋白產生增加，基質降解減少，細胞—基質相互作用失調，炎細胞浸潤和腎上皮細胞到間質細胞的轉化。腎小管上皮細胞損傷至腎纖維化的發展高度依賴于成纖維細胞和肌成纖維細胞。受損的腎小管上皮細胞可以向成纖維細胞釋放含轉化生長因子（TGF-β）的外泌體，導致成纖維細胞活化、肌成纖維細胞轉化和基質生成［21］。研究顯示，在5/6 腎次全切除模型中，單次給予MSC-Exo 可以保護殘腎功能，防止腎小管萎縮和間質淋巴細胞浸潤，并限制腎纖維化［22］。腎纖維化相關研究發現，MSC-Exo 可以將miRNA-LET7C 遞送至腎小管上皮細胞，誘導LET7C 表達增加，從而抑制膠原蛋白Ⅰα1、Ⅳα、平滑肌肌動蛋白（α-SMA）和TGF-β1的表達，緩解腎纖維化［23］。Hippo 信號是參與CKD 進展的關鍵途徑，它可控制器官大小并調節組織再生［24-25］。在Hippo 途徑中，葉酸相關蛋白（YAP）是一種重要的效應蛋白，在纖維化中起著不可或缺的作用［26］。JI 等［27］研究發現，人臍帶血來源的MSC-Exo可以增加單側輸尿管梗阻大鼠模型腎臟組織中酪蛋白激酶1δ 和E3 泛素連接酶β-TRCP 的表達并促進YAP 泛素化和降解，從而抑制ECM 沉積，減輕腎臟纖維化。LIU 等［28］發現，人臍帶血來源的MSC-Exo 通過干預ROS 介導的p38 MAPK/ERK信號通路從而減輕腎間質纖維化。同時，有證據表明，MSC-Exo 能將腎小管細胞阻滯在G2/M 期，下調膠原沉積相關蛋白的表達，減輕腎缺血所致的腎纖維化［29］。由此也揭示了MSC-Exo替代細胞療法治療腎纖維化疾病的可能性。MSC-Exo還通過抑制纖維化基因（α-SMA、TGF-β1、Ⅰ型膠原α1）的表達，減少腎小管細胞壞死、減輕腎間質纖維化［30］。有學者對高脂飲食和鏈脲佐菌素誘導的胰島素缺陷型糖尿病小鼠注射MSC 和MSC-Exo，發現可抑制腫瘤壞死因子α（TNF-α）、TGF-β1的表達和腎小管間質纖維化，從而減輕糖尿病腎損傷［31］。由此說明，對于腎臟疾病，MSC-Exo 治療可能是一種有效和安全的干預腎纖維化的方法。

4 抗炎癥反應

炎癥是造成腎損傷的主要原因。外泌體的抗炎作用主要通過調控其內的免疫調節分子或表面蛋白的表達，從而最大限度地減少免疫細胞（如巨噬細胞、T 細胞和NK 細胞）的浸潤［32］。MSC-Exo 中的抗炎細胞因子包括IL-13、IL-18、神經纖維營養因子等。同時，有研究發現，MSC-Exo 中還含有IL-1b、IL-6、TNF-α、MCP-1 等促炎細胞因子［33］。還有證據表明，MSC-Exo 的miRNA 可介導受損組織的再生、纖維化活動和免疫炎癥，如miR-let-7b 可抑制TLR4途徑［34］，miR-21、miR-23a、miR-145 靶向下調TGFβ2，miR-let-7c 靶 向TGF-βR1 等［23］。SHEN 等［32］發現，MSC-Exo 可以減輕AKI 小鼠的炎癥反應，降低血肌酐、尿素氮水平，并抑制C-C 基序趨化因子受體2的活性來促進腎損傷修復。在腎IRI 小鼠中，脂肪來源的MSC-Exo 可以通過下調炎癥細胞因子（如TNF-α、IL-1）的表達而促進腎功能恢復［35］。在敗血癥誘導的AKI 小鼠模型中，脂肪來源的MSC-Exo 干預可顯著降低血清中炎癥細胞因子TNF-α、IL-6 和MCP-1的表達，抑制腎臟炎癥［36］。有學者對IRI大鼠移植MSC 或MSC-Exo，發現TNF-α 和IL-1β 等炎癥因子表達降低［37］。WANG 等［10］發現，MSC-Exo 能抑制腎小管上皮細胞中炎癥因子的表達，并可通過抑制mTOR 磷酸化激活自噬，上調自噬標記蛋白LC3B和自噬相關基因（ATG5、ATG7）的表達。還有研究表明，脂肪來源的MSC-Exo 可上調Sox9 基因表達，修復IRI 小鼠腎小管上皮細胞并促進其增殖，糾正缺血缺氧，減少間質炎癥細胞浸潤，并抑制TGF-β1/Smad3 通路從而減輕腎纖維化，減緩AKI 向CKD 的轉變［9］。此外，MSC-Exo 中的miRNA 可介導組織炎癥反應。研究發現，脂肪來源的MSC-Exo 可通過miR-26a-5p抑制TLR4和NF-κB/VEGF 炎癥途徑，從而減輕糖尿病腎病損傷［38］。有證據表明，脂肪來源MSC-Exo 具有免疫抑制和抗炎潛力，其能調節巨噬細胞極化，將巨噬細胞從M1 表型轉變至M2 表型［39］。有臨床研究證實，MSC-Exo 能改善CKD 患者的腎功能指標、降低炎癥因子水平，并且整個研究期間患者均未發生明顯的不良反應［40］。然而，MSCExo 的抗炎和免疫調節具體機制尚不清楚，還需進一步研究明確。

總之，MSC-Exo 已經在腎臟疾病中顯示出巨大的治療潛力。MSC-Exo 能夠抑制腎固有細胞凋亡，減輕腎損傷的嚴重程度。MSC-Exo 可減少ROS 產物，改善線粒體功能，調節細胞內信號通路來減輕腎臟氧化應激反應。在腎纖維化進程中，MSC-Exo 可抑制纖維化相關蛋白表達，減輕腎間質纖維化。MSC-Exo還可介導免疫炎癥反應，減輕炎癥浸潤，發揮腎臟保護作用。雖然MSC-Exo在腎臟疾病治療中取得一定的成果，但是MSC-Exo 的具體作用機制尚未闡明。隨著研究不斷深入，外泌體有望成為治療腎臟疾病的新策略。