外泌體在創傷性腦損傷中應用的研究進展

劉夢龍,周 馨,段海真

1.遵義醫科大學附屬醫院急診科，貴州 遵義 563003; 2.達州中醫藥職業學院，四川 達州 635000

全世界每年約有500萬人遭受創傷性腦損傷(traumatic brain injury,TBI)，且男性多于女性，每年因TBI導致的經濟損失超過4 000億美元[1]。TBI常見病因包括鈍器傷、穿透傷、加速及減速傷、爆炸傷等[2]，這些損傷對大腦引起不同程度的損害。目前針對TBI尚無有效的治療方法。因此，需針對TBI后神經損傷探索新的治療方向。外泌體是多種細胞均可分泌，直徑50～150nm的脂質雙分子膜囊泡，與其起源的細胞具有相同的拓撲結構，通過攜帶蛋白質、脂類以及核酸等生命物質反映起源細胞的狀態，在生理條件和病理條件下參與復雜的細胞間信號傳導[3]。近年來研究發現外泌體能有效通過血腦屏障(blood-brain barrier,BBB)[4]，在改善腦卒中、阿爾茲海默病、糖尿病等引起的認知功能障礙中起重要作用[5-7]，但外泌體在TBI后神經損傷中的作用及機制尚待明確，因而需要進一步探究外泌體在TBI后神經損傷中的作用及機制，為尋求TBI后神經功能損傷新的治療策略提供一定的理論依據。

1 TBI后病理過程

TBI后復雜的分子變化及細胞炎癥物質將介導一系列免疫反應。TBI包括原發性損傷和繼發性損傷兩個階段[8]，當受到嚴重損傷時，強大的撞擊力或穿透力導致腦損傷處細胞瞬間死亡，引起原發性損傷；由于BBB結構及功能遭到破壞、神經血管單元組成的細胞功能障礙，引起級聯炎癥反應、氧化應激及神經遞質異常釋放等病理過程，繼而引起繼發性腦損傷[9]；由繼發性腦損傷引起的中樞神經系統(central nervous system,CNS)細胞代謝紊亂和低氧等不良事件[10]，增加患者死亡的風險。

BBB是由星形膠質細胞尾足、周細胞以及內皮細胞緊密連接形成,TBI后BBB滲透性增加，導致顱內外分子交換出現障礙[11-12]。小膠質細胞作為CNS中的前哨細胞，是損傷后的第一反應者，迅速參與免疫反應。小膠質細胞存在兩種表型，即M1和M2型，兩種表型的小膠質細胞參與TBI后的繼發性損傷。其中M1型小膠質細胞釋放促炎因子、趨化因子等介質破壞顱腦的神經修復，進而引起慢性神經炎癥；M2型小膠質細胞釋放抗炎因子、生長因子、轉化生長因子-β 等有益分子[9,13]。相關研究[13-14]已證實TBI后能通過將小膠質細胞由M1表型極化為M2表型的方法來減輕炎癥反應，促進神經恢復。此外，星形膠質細胞也是大腦的常駐細胞，腦損傷后星形膠質細胞增生、遷移，參與腦損傷后的炎癥反應；同時還與小膠質細胞相互作用，協同釋放各種生長因子，促進TBI后神經修復[9,15]。研究發現小膠質細胞、星形膠質細胞這兩類細胞參與TBI后神經修復的機制可能與外泌體有關，因而筆者聚焦于外泌體在TBI后的神經修復作用進行探討。

2 外泌體在TBI后神經損傷的修復作用

大腦中幾乎所有細胞均能分泌外泌體，根據來源細胞不同主要分為神經元源性外泌體(neruon-derived exosomes,NDEs)、小膠質細胞源性外泌體(microgila-derived exosomes,MDEs)、星形膠質細胞源性外泌體(astrocytes-derived exosomes,ADEs)。以上細胞源性外泌體均可通過作用于小膠質細胞引起其M1表型向M2表型極化，從而改善TBI的癥狀。相較于CNS的固有細胞源性外泌體，外周間充質干細胞源性外泌體(mesenchymal stem cells-derived exosomes，MSCs-exo)在TBI發生、發展及修復過程中的作用被更多關注。有研究[16]已證實MSCs-exo可減少繼發性神經退行性病變及神經炎癥，促進神經新生和血管再生，改善運動功能。以下將圍繞上述不同細胞來源的外泌體闡述其在TBI中的作用和機制(表1)。

表1 不同細胞來源的外泌體治療TBI的機制

2.1MSCs-exo 間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)是一種自我更新能力較強的多能干細胞，大量動物實驗證實MSCs在TBI后神經功能恢復中具有重要的促進作用，而近年來有研究表明這些作用與外周MSCs-exo有關[16-17]。多個研究[18-20]證實予TBI小鼠體內注射骨間BMSCs-exo后，其腦內小膠質細胞由M1表型極化為M2表型增加，神經炎癥減輕，腦損傷面積減小，神經功能改善。Zhang等[20]發現除抑制神經炎癥，BMSCs-exo另具增加海馬細胞數量、促進神經修復及血管生成的重要作用。此外，另有研究[21]證實脂肪間充質干細胞源性外泌體與BMSCs-exo有類似治療作用，小鼠在TBI后24h向其腦室內注射脂肪間充質干細胞源性外泌體，可抑制核因子-κB(nuclear factor-κ-gene binding，NF-κB)和p38絲裂原活化蛋白激酶(p-38 mitogen-activated protein kinase，p38MAPK)信號通路，促進小膠質細胞M1表型向M2表型轉化，從而減輕神經炎癥。Williams等[22-24]也發現TBI的豬模型在早期給予BMSCs-exo治療可有效改善其早期神經功能，減小腦損傷面積，緩解腦水腫，其機制證實與BMSCs-exo下調神經炎癥和反應性膠質細胞增生相關基因表達相關。上述體內體外研究證實MSCs-exo在TBI后治療中有促進小膠質M1表型向M2表型極化的作用，有利于神經保護和減少免疫應答。此外，外泌體治療TBI的研究已發展至大型動物，展現出對TBI后神經損傷治療的巨大潛力。MSCs引起的神經組織修復及功能改善的作用機制主要基于其旁分泌效應，而非MSCs本身的作用[18]。MSCs移植后會產生免疫反應、血栓栓塞、腫瘤增殖等風險[25]，但MSCs-exo是否也存在這些不良事件的風險卻不得而知。因此，要最終實現臨床轉化尚需長期的、系統的體內外研究以明確MSCs-exo體內注射的安全性后再逐步進行。

2.2NDEs NDEs能改善TBI后神經癥狀。有研究[26]將神經元和小膠質細胞在體外共同培養，結果發現NDEs攜帶的miR-21-5p能被小膠質細胞吞噬，繼而誘導小膠質細胞向M1表型極化，使炎癥因子釋放增加，同時也使β-淀粉樣蛋白集聚，引起神經元凋亡。此外，NDEs中攜帶的miR-21-5p能直接靶向抑制神經元Rab11a3’UTR區域的翻譯，減少Rab11a3介導的神經元自噬[27]。因此是否能通過避免miR-21-5p被小膠質細胞吞噬，同時促進miR-21-5p的直接靶向作用來減少神經元自噬，改善TBI后的神經損傷，還需更進一步的研究。上述實驗證明了NDEs有治療TBI后神經損傷的潛力，但目前關于NDEs衍生的外泌體研究較少，尚需進一步探索。

2.3MDEs MDEs具有促進神經修復和改善認知障礙的作用。近期一項研究[28]通過基因本體論和京都基因與基因組百科全書富集分析預測MDEs搭載的miR-124-3p的靶點并加以驗證，結果表明MDEs搭載的miR-124-3p靶向調節磷酸二酯酶4B，激活下游哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號通路，促進神經元軸突的生長，有利于神經功能恢復；MiR-124-3p還能靶向抑制NF-κB亞基V-Rel網狀內皮增生病毒癌基因同源物蛋白(recombinant V-rel reticuloendotheliosis viral oncogene homolog A,RelA)，使載脂蛋白E的表達上調，促進β-淀粉樣蛋白分解，防止TBI后發展至阿爾茨海默癥等神經退行性病變[29]。此外，MDEs搭載miR-5121直接靶向調節神經元中的排斥性引導分子a的表達，促進神經生長和突觸恢復，改善TBI后小鼠的運動協調能力，逆轉TBI后的神經損傷[30]。

2.4ADEs 研究表明ADEs在TBI后促進神經修復，可能與其含有神經營養特性的蛋白質如磷酸化應激誘導蛋白(stress-inducible protein 1， STI1)等有關[31]。不僅如此，Long等[32]通過微小RNA全基因組微陣列分析發現在ADEs中有135種微小RNA上調，其中miR-873a-5p上調最為明顯，miR-873a-5p的表達上調抑制了TBI后小膠質細胞NF-κB炎癥信號通路的激活，致使小膠質細胞表型極化，從而減輕小膠質細胞介導的神經炎癥。此外，ADEs不僅能通過減弱間隙連接蛋白43磷酸化，進而保護線粒體、降低細胞病死率[33]，而且ADEs被神經元攝取后，其搭載的縫隙連接蛋白α1截短單體-20k下調凋亡相關基因的表達，減少損傷神經元中的線粒體收縮，減輕損傷后神經元的樹突損傷[34]。綜上，ADEs在TBI后具有促進神經修復、減輕小膠質細胞介導的神經炎癥、保護線粒體、抑制神經元凋亡的重要作用，因而在TBI后神經損傷治療中有巨大潛力。

2.5其他細胞源性的外泌體在TBI中的治療作用 除以上細胞外，研究者發現其他細胞源性外泌體也有治療TBI后神經損傷的作用。有研究[35]從人臍血來源的內皮細胞集落形成細胞培養基中分離出外泌體，于TBI后2h通過小鼠尾靜脈注射到體內，結果發現大腦低氧相關基因表達下降，如磷酸酶及張力蛋白同源物等，并誘導蛋白激酶B磷酸化，抑制下游凋亡信號通路的激活，從而減輕神經細胞凋亡，同時有利于維持BBB的通透性，減少TBI后腦水腫的形成。另有研究[36]認為人類脫落乳牙干細胞源性外泌體(stem cells from human exfoliated deciduous teeth-orginated exosomes，SHED-exo)對TBI后神經損傷也有一定的治療效果。在體外將小膠質細胞與SHED-exo共培養，發現M1表型標志物基因表達水平顯著下降，而M2表型標志物基因表達水平升高，則表明SHED-exo在TBI后能促進小膠質細胞M1型向M2型極化，減輕神經炎癥，改善神經功能。綜上所述，多種細胞源性外泌體有治療TBI后神經損傷的潛力，但目前外泌體治療TBI后神經損傷僅存在于動物實驗中，并未大量轉化為臨床試驗，所以外泌體在人體中的作用以及相應不良事件還需要進一步探索。

3 展望

外泌體是細胞間通訊的重要介質，與生命活動息息相關。由于能有效透過BBB，作為疾病發生發展的重要信號基礎，在CNS疾病中發揮重要作用。目前外泌體在TBI中的應用已有了初步探索，具有抑制神經炎癥和凋亡、改善神經重塑等調控作用。這些研究主要集中于MSCs衍生的外泌體，而中樞神經系統固有細胞神經元、星形膠質、小膠質相對較少，由于錨定在不同細胞來源的外泌體的表面分子不同，因而對受體細胞的作用及發揮的功能各異。接下來的研究還需長期探索，進一步探討TBI后中樞神經系統固有細胞間的外泌體信號交流機制,為TBI的臨床診治提供新的治療切入點可能是未來研究的重點。

作者貢獻聲明：劉夢龍：選題設計、文章撰寫；周馨：資料分析及文獻整理；段海真：文章審校