间充质干细胞来源的外泌体在血管损伤修复中的研究进展

李禹兵，高 凌，罗 登

(武汉大学人民医院内分泌科，武汉 430060)

最初认为，间充质干细胞能聚集到组织损伤处，但在组织损伤处间充质干细胞并不稳定且分化较低，大部分移植的间充质干细胞出现了细胞凋亡，未直接参与组织再生[1-2]。有证据表明，间充质干细胞使组织再生和修复的主要机制可能为旁分泌作用[3]。而外泌体是间充质干细胞旁分泌作用的主要物质。研究表明，间充质干细胞来源的外泌体(mesenchymal stem cell-derived exosomes，MSC-EXO)能抗心肌细胞凋亡，使心肌梗死面积缩小[4]。在肾缺血再灌注损伤模型中，MSC-EXO可以通过抑制纤维化、抗炎、减轻氧化应激及促进血管新生作用来保护肾脏功能[5]。且已有学者发现，来源于脂肪间充质干细胞的外泌体具有减轻肝脏缺血再灌注损伤的功能，具体作用机制为维持肝血流量、改善血管内皮功能、抗炎症反应、抑制氧化应激及抗凋亡作用[6]。研究发现，MSC-EXO可与肝细胞结合，使肝细胞分泌生长因子促进肝细胞再生[7-8]。在四氯化碳肝损伤模型中，MSC-EXO能够抑制肝细胞凋亡[9]。目前，MSC-EXO在不同组织再生中的应用包括：心血管再生，肾脏损伤修复，肝脏损伤修复，骨、软骨及骨骼肌再生，神经组织再生，口腔组织再生和皮肤创口愈合[10]。其中，血管损伤的修复在组织再生中具有关键作用。研究表明，MSC-EXO能改善血管损伤并促进血管再生[11]。现就MSC-EXO在血管损伤修复中的作用机制和应用前景予以综述。

1 外泌体的概念及其生物学特性

外泌体是由细胞内多囊泡体分泌的直径为30～200 nm的亚细胞双层膜囊泡。几乎所有类型的细胞均可分泌外泌体，包括干细胞，并存在于大多数体液(尿液、血液、唾液、脑脊液及腹水)中[12]。外泌体大致分泌过程为：细胞内多囊泡体通过细胞膜的内陷形成并选择性地加载含有蛋白质、信使RNA和微RNAs(microRNAs，miRNAs)的胞内体。当多囊泡体与细胞膜融合时，多囊泡体将这些胞内体释放成为细胞外泌体，而微囊泡(200～1 000 nm)可直接通过细胞膜以胞吐形式释放[13]。外泌体介导细胞间的信息交流。外泌体与受体细胞结合，可通过一系列信号转导作用，调控受体细胞的生理功能，并通过向受体细胞转移多种生物活性分子发挥生物学特性[14]。与脂质体类似，外泌体作为药物运载工具受到广泛关注：①纳米大小的外泌体可以很容易地在细胞间转移。②外泌体的脂质双层膜结构为生物活性分子在细胞外环境中的降解提供了一个受保护的环境[15]。③外泌体的免疫原性和毒性较其他给药策略低[16]。④具有特定表面蛋白(整合素)的外泌体，可定向到特定的器官[17]。这表明，外泌体是可以用于向损伤组织递送治疗药物、干扰小RNA或蛋白质的良好载体。

研究表明，在抗癌治疗中，外泌体可以作为潜在的药物运载工具或无细胞疫苗[18]。因此，在临床和转化医学中，外泌体的应用将会越来越广泛，相比干细胞的移植治疗有明显优势，如外泌体不促进肿瘤发展，无不良反应(免疫排斥反应、发热、过敏反应和溶血反应)。另外，外泌体携带的蛋白质可发挥更好的治疗效果[19]，将来也许会彻底代替间充质干细胞。

2 MSC-EXO在血管损伤修复中的作用机制

2.1抑制血管炎症反应 血管炎症反应促进了血管功能障碍的发生、发展，而炎症因子在血管炎症反应中起关键作用。如肿瘤坏死因子是由内皮细胞及多种炎症细胞产生的一种炎症因子，当与血管内皮细胞受体结合时，可经细胞毒性作用导致血管内皮细胞破坏坏死，进而引起血管内皮功能障碍[20]。另一种前炎症细胞因子白细胞介素-1β能激活多种炎症细胞，并诱导内皮细胞表达细胞间黏附分子-1和E选择素等内皮黏附分子，促进血液内白细胞黏着于血管内皮细胞表面，加重炎症反应，释放细胞毒性物质，从而产生血管损伤。研究表明，MSC-EXO能显著降低肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-1β的表达水平，上调抗炎因子(白细胞介素-10)表达，并显著促进血管生成[21]。此外，MSC-EXO还可减少炎症细胞的浸润，减少趋化因子分泌，从而降低炎症反应[22]。研究发现，MSC-EXO可抑制炎症因子和肺内巨噬细胞流所引起的肺血管炎症反应[23]。且MSC-EXO中的miRNAs在抗炎症反应中也起重要作用，MSC-EXO携带和分泌的miR-181，可通过核因子κB信号通路抑制血管炎症反应[24-25]。因此，MSC-EXO可通过调节炎症因子水平、减少炎症细胞浸润和释放多种miRNAs来抑制血管炎症反应，从而对血管损伤的修复起重要作用。

2.2抗氧化应激 氧化应激是血管损伤的机制之一。炎症反应和氧化应激可相互促进其发展，从而形成恶性循环，共同促进血管损伤的发生和发展。当发生血管炎症反应时，血管内皮细胞和平滑肌细胞均可分泌超氧阴离子，同时浸润的白细胞可经还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶产生多种活性氧类；此外，巨噬细胞分泌的促炎症因子可增加还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶活性，促进活性氧类的产生，引起活性氧分子和活性氧自由基增加，最终导致氧化应激，血管内皮细胞和平滑肌细胞凋亡，从而引起血管损伤。研究发现，miR-214-钙调蛋白依赖蛋白激酶Ⅱ轴可调控心脏干细胞氧化应激相关损伤，如细胞凋亡、钙稳态失衡和过量的活性氧产生，而应用MSC-EXO能显著降低心脏干细胞氧化应激损伤后的细胞凋亡率和减少活性氧的产生；且该研究证实，外泌体中的miR-214是MSC-EXO保护心脏干细胞免受氧化应激损伤的主要效应分子[26]。此外，有研究表明内皮祖细胞来源的外泌体可使活性氧的生成减少,从而抑制氧化应激，维持血管内皮细胞功能[27]。动脉粥样硬化是一种慢性进行性血管破坏性疾病，研究表明干细胞分泌的外泌体能抗氧化应激，阻碍动脉粥样硬化的恶性发展[28]。因此，MSC-EXO也可通过抗氧化应激，减少细胞凋亡，修复血管损伤。

2.3抑制细胞凋亡 血管平滑肌细胞增殖与凋亡的失衡是血管损伤的原因之一。如长期血管炎症反应会引起血管平滑肌细胞过度凋亡及主动脉中膜厚度变薄和直径变大，最终导致胸主动脉瘤的形成。Cabal-Hierro和Lazo[29]研究表明，MSC-EXO可通过抑制肿瘤坏死因子受体相关因子6 减少细胞凋亡。在缺血心肌中，学者发现心脏祖细胞分泌的外泌体能抑制心肌细胞凋亡和促进血管生成[30]。MSC-EXO可转运多种RNA(信使RNA、miRNAs)到靶细胞，如miR-504、miR-23等，同时诱导靶细胞分泌一些因子，如肝细胞生长因子和血管内皮生长因子等，最终抑制细胞凋亡和促进细胞增殖[31]。有研究表明，miRNAs具有调控细胞增殖、生长、凋亡和分化等多种生物学功能[32]。而血管平滑肌细胞的增殖和凋亡受miRNAs调控。其中，miR-504过表达可通过调控抑癌基因p53的表达促进血管平滑肌细胞的增殖和抑制其凋亡[33]。miR-23通过降低促凋亡蛋白(Bcl-2相关X蛋白)和胱天蛋白酶3水平抑制血管平滑肌细胞凋亡和促进血管平滑肌细胞的增殖[34]。此外，心脏干细胞来源的外泌体可以装载miR-210，miR-210被转移到心肌细胞中，抑制心肌细胞的凋亡[35]。Bian等[36]发现，MSC-EXO能显著缩小急性心肌梗死兔模型中的心肌梗死面积，促进新生血管形成，并改善心功能。在急性肾损伤小鼠的模型中，学者发现MSC-EXO能通过抑制细胞凋亡和促进细胞增殖，保护肾功能[37]。可见，控制血管平滑细胞凋亡和增殖的平衡有助于血管损伤的修复，而MSC-EXO在其中具有重要的调控作用。

2.4促进血管新生 血管新生障碍是血管损伤修复延迟的主要原因，会造成血管供血不足，从而引起组织、器官损伤修复障碍。有学者发现，源自人脂肪间充质干细胞的外泌体可以被血管内皮细胞摄取，并能促进血管新生[38]。外泌体中含有丰富的miR-125a，miR-125a在血管形成过程中具有重要作用，可以减少PLL4的表达，促进血管形成。将miR-125a基因敲除后，外泌体的促血管新生作用则被明显抑制[39]。另有研究发现，在小鼠全层皮肤缺损的动物模型中，外泌体有助于缺损处的血管新生和成熟[40]。且从多种细胞培养上清中提取的外泌体可通过促进血管新生，提高皮肤组织的修复、创面愈合能力。此外，人尿源干细胞来源的外泌体可促进脐静脉内皮细胞的迁移、增殖和血管的形成，同时促进大鼠皮肤切口的血管增生，促使受损皮肤组织的修复与再生[41]。由于血管新生在血管损伤的修复中起重要作用，所以MSC-EXO也可通过促血管新生作用促进血管损伤的修复。

2.5抗血管重构 血管重构是发生血管损伤的重要原因，是基于血流动力学改变所引起的血管自适应性反应，涉及细胞的增殖、肥大、凋亡和迁移，以及细胞外基质的产生和降解失衡。肺动脉高压是血管损伤中常见的血管疾病，其主要由于长期缺氧导致肺血管重构而逐渐形成。文献报道，间充质干细胞可通过旁分泌活动分泌外泌体来抑制Smad2的磷酸化，发挥抗肺血管重构作用，从而抑制低氧诱导的小鼠肺动脉高压的形成和发展[42]。腹主动脉瘤是以炎症、巨噬细胞浸润和血管重构为特征的严重退行性血管疾病。研究发现，MSC-EXO可通过miR-147的抗血管重构作用抑制腹主动脉瘤形成[43]。另有研究显示，MSC-EXO通过miR-204在抗血管重构中起重要作用[23]。但是，MSC-EXO抗血管重构效应的分子机制有待进一步研究。

2.6调节巨噬细胞极化 动脉粥样硬化是一种全身性的慢性炎症性血管疾病，其可能涉及所有动脉内膜并引起血管硬化和狭窄，最终导致心脑血管意外和血栓栓塞性疾病[44]。目前，动脉粥样硬化仍是冠状动脉病变的主要原因[45]。而巨噬细胞产生的许多炎症细胞因子在动脉粥样硬化的病变过程中起促进作用[46]。巨噬细胞主要分化为两种不同功能的表型：M1型巨噬细胞和M2型巨噬细胞，分别发挥促炎和抗炎作用。虽然M2型巨噬细胞在早期动脉粥样硬化斑块中占主要部分，但随着斑块进展，M2型巨噬细胞会向M1型巨噬细胞转化。M1型巨噬细胞产生的炎症因子，与斑块的不稳定及发生、恶化有关[47]。而M2 型巨噬细胞分泌的白细胞介素-10、抗炎细胞因子转化生长因子-β具有稳定斑块和抗动脉粥样硬化的效果。因此，调节巨噬细胞极化有利于抗血管粥样硬化。此外，骨髓间充质干细胞的应用可抑制动脉粥样硬化斑块的形成和发展[48]。研究证明，间充质干细胞移植能减小高脂喂养载脂蛋白E基因敲除小鼠的动脉粥样硬化斑块面积，但具体作用机制尚不清楚[49]。且MSC-EXO可通过miR-let7/高迁移率族蛋白A2/核因子κB途径促进M2型巨噬细胞极化和通过miR-let7/胰岛素样生长因子2 mRNA结合蛋白1/人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因途径抑制巨噬细胞在斑块中的浸润共同作用来改善载脂蛋白E基因敲除小鼠的动脉粥样硬化，其中调节巨噬细胞极化起主要作用[50]。这一发现拓展了大家对MSC-EXO影响动脉粥样硬化斑块炎症的认识，并为预防动脉粥样硬化提供了一种潜在方法。因此，MSC-EXO有望作为治疗药物，降低冠心病的发生风险。

3 小 结

血管损伤主要由血管炎症反应、氧化应激、细胞凋亡、血管新生障碍、血管重构和巨噬细胞极化共同作用引起。不同组织的损伤修复和再生均涉及到血管再生，而MSC-EXO具有抑制血管炎症反应、抗细胞凋亡、抑制氧化应激、促进血管新生、抗血管和调节巨噬细胞极化的功能，因此其在血管损伤修复中具有重要作用。胸主动脉瘤是危重的退行性血管疾病，直径为60 mm的胸主动脉瘤具有极大的破裂风险，主动脉瘤一旦破裂，死亡率将高达80%[51]。目前，其临床治疗方式主要为外科手术，但手术死亡率极高。虽然血管内动脉瘤修补术和胸段动脉瘤修补术均是微创的介入治疗方法，但它们存在着内膜和移植物迁移等缺点。因此，需要一种新的方法来替代胸主动瘤的治疗，以降低手术破裂的风险及代替干细胞治疗。而MSC-EXO独特的生物学效应，使其能为治疗胸主动脉瘤提供新策略，未来可深入研究。