间充质干细胞外泌体在神经系统疾病治疗中的研究进展

吴玲姗，喻志源，骆翔

中枢神经系统损伤后缺乏持续性的修复和再生能力，探寻一种促进大脑和脊髓神经修护的治疗方法是当前的研究热点。动物实验证明间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）移植疗法是一种有效的治疗方法。干细胞是一种具有再生各种组织器官潜能的组织细胞，而MSCs 是成体干细胞的重要成员之一，是一类具有自我更新和多向分化潜能的多能干细胞，来源广泛、获取容易、免疫原性低[1,2]。MSCs 移植治疗的基本原理是促进移植的MSCs 进行分化，取代死亡神经元。最新研究表明，由MSCs 释放的外泌体在治疗缺血性脑卒中、创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）和其他神经退行性疾病中具有重要意义[3,4]。外泌体是纳米级双层磷脂膜囊泡小体，广泛存在于体液和各种细胞中，细胞通过外泌体主动分选机制将特定细胞内容物，如多种特异性蛋白质、脂质和核酸等物质包裹于其内，与受体细胞靶向融合，参与细胞间物质转运及信息交流，在多种生理及病理过程中发挥重要作用[5]。本文综述外泌体在大脑细胞间信号传递中的最新进展，并探讨MSCs 外泌体在神经系统疾病中作用的研究进展。

1 外泌体的生物学特性和功能

外泌体几乎是所有细胞均可分泌的一种膜性囊泡结构，直径约为30～150 nm，包含脂质、蛋白质、核酸（如mRNA、microRNA、LncRNA、DNA）等生物信息[6]。由于其稳定的脂质双分子层，外泌体能够在细胞间转移其生物活性分子，从而参与细胞间通讯[6]。外泌体的这些内含物中，microRNA（miRNA）的作用尤为重要，外泌体中miRNA的含量最高，高达41.7%[7]。miRNA 是一类长度约为22 nt、进化保守的非编码RNA 分子，参与基因表达的转录后调控[8]。成熟的miRNA 通过降解目的mRNA 或抑制翻译引起基因沉默，从而对细胞的增殖、分化、凋亡和遗传性状进行调控。

2 外泌体与血脑屏障的关系

大多数药物无法通过血脑屏障，这是神经疾病在治疗方面所面临的一大挑战。研究表明，外泌体可以穿过血脑屏障发挥作用。将携带CD63-GFP的外泌体注入动物体内，一段时间后可发现神经元、胶质细胞和大脑内皮细胞中产生了荧光信号[9]。经鼻饲给药后，无创体内CT 显示标记有金纳米颗粒的基质细胞外泌体成功进入健康小鼠大脑。局灶性脑缺血损伤处理后，这些标记的外泌体则聚集在缺血灶周围[10]。借由放射性元素标记方法，巨噬细胞外泌体被发现同样可通过血脑屏障[11]。目前认为外泌体穿过血脑屏障进入中枢神经系统有两种机制：第一种，外泌体可能通过胞吞作用被内皮细胞吸收，最终转移到受体细胞[12]；第二种，外泌体可能通过内皮细胞之间的细胞间隙进入中枢神经系统[13]。

3 MSCs 外泌体在神经系统疾病治疗中的应用研究

MSCs外泌体能够产生类似于来源MSCs 的再生与修复潜能，这一功能己经在多种动物疾病模型中得到证实。Zhang 等[3]与Xin 等[4]分别首次报道MSCs外泌体在TBI和缺血性脑卒中动物模型中的治疗潜力。这些研究表明，静脉注射MSCs 外泌体治疗缺血性脑卒中或TBI的大鼠模型，与MSC移植治疗相比，可同样显著地促进神经血管再生，改善恢复期的行为和认知结果[3,4]。随后，Doeppner等[14]对这两种治疗方法进行直接比较，结果表明缺血性脑卒中小鼠中MSCs 移植疗法或MSCs 外泌体疗法可同等改善运动功能。在脑出血大鼠模型中发现，MSCs 外泌体疗法可改善脑出血后感觉运动和认知功能的恢复[15,16]。Cui 等[17]在APP/PS1 小鼠阿尔兹海默症疾病模型中发现MSC外泌体可以促进Aβ降解、减缓认知功能下降。缺氧预处理的MSC 则会增强这些效应。Katsuda 等[18]发现脂肪源性MSCs 外泌体富含脑啡肽酶，可促进Aβ降解，而Aβ沉积正是阿尔兹海默症病理改变的核心机制之一。Lee 等[19]发现人类脂肪MSCs 外泌体可减少亨廷顿蛋白的聚集、调节凋亡相关蛋白、保护线粒体，表明其在治疗亨廷顿病方面具有一定的潜力。另外也有研究探讨MSCs 外泌体在治疗产前脑损伤方面的治疗能力。这些研究表明，MSCs外泌体有助于甚至介导MSCs 的移植治疗。然而，MSCs 外泌体是否表达主要组织相容性复合体分子尚不清楚，因此需要更多的研究来系统地评价外泌体对宿主免疫反应的影响。

3.1 直接作用

神经修复治疗的主要目的是直接作用于健康的脑细胞，促进大脑自我修复[20]。细胞实验表明，MSC外泌体通过促进神经元树突和轴突的生长，从而促进神经修复[21]。

3.2 间接作用

研究表明，外源性外泌体除了对脑实质细胞的功能有直接影响外，还有间接的神经恢复作用。在大鼠局灶性脑缺血模型中，MSC 外泌体可刺激星形胶质细胞释放外泌体，而后者可促进皮质神经元突起生长，这表明星形胶质细胞外泌体可协助MSC外泌体对脑缺血后神经突触重塑[22]。由此可见，MSC外泌体可作用于受体细胞，促进后者释放外泌体，参与细胞之间通讯交流，从而促进神经修复。

3.3 调节免疫炎症反应

缺血性脑卒中和TBI等神经疾病会引发神经系统的炎症反应，从而加剧脑损伤。临床研究表明，循环中的内源性外泌体可能加剧缺血性脑卒中引发的炎症反应。急性脑卒中患者外周血中的外泌体富含C反应蛋白，此外，这些外泌体可以激活巨噬细胞，并促进后者高表达细胞因子和趋化因子[23]；这些高表达的细胞因子和趋化因子与脑卒中后不良预后有关[23]。而一些临床前研究表明MSC 外泌体可以抑制炎症反应。研究发现在缺血性脑损伤小鼠模型中，尽管MSC外泌体对大脑免疫细胞浸润无影响，但可减弱缺血后免疫抑制反应[14]。

3.4 系统性作用

虽然外泌体在治疗缺血性脑卒中和TBI等神经疾病中的靶器官是大脑，但一些证据表明其作用可能不仅仅局限于大脑。在啮齿动物脑缺血模型中，大脑内皮细胞外泌体可以加剧心脏功能衰竭[24]，表明外泌体在器官水平存在相互影响。同样，有研究表明，外周细胞源性外泌体可以引起外周炎症和大脑炎症的相互作用。MSC外泌体是否也有同样的系统性作用还待进一步研究。

4 MSCs外泌体的作用机制

外泌体与受体细胞的质膜或内吞膜融合，随后将其携带的蛋白质、脂质和核酸转移到受体细胞，而外泌体转运的这些物质可能改变了受体细胞的功能[25]。

4.1 miRNA的作用

遗传学研究表明，miRNA 可以改变受体细胞的功能，并在MSC外泌体的治疗中发挥效应[26]。利用基因工程修饰的外泌体来传递特定的miRNA用于治疗脑卒中的研究正在积极进行中。研究发现，与未修饰的MSCs 外泌体相比，过表达miR-133b 或miR-17-92 的MSCs 外泌体在治疗大鼠缺血性脑卒中和脑出血时，对抑制轴突生长的靶蛋白可发挥更强的抑制作用，并抑制导致神经元死亡基因的表达，从而促进轴突生长和神经发生[4,27]。

4.2 特异性靶基因

miRNA 与靶基因的关系，可以是一一对应的，即某个特定miRNA调节一个特殊的靶基因，进而影响到一条特定的信号通路；同时miRNA 和靶基因的关系也可以是多元的，即一个miRNA 可调控体内多个靶基因，或者多个miRNA 可调控同一个靶基因。在大鼠缺血性脑卒中模型中，Xin等[4]通过进一步研究发现，MSC 外泌体中的miR-133b 可分别作用于星形胶质细胞靶基因——结缔组织生长因子（connective tissue growth factor，CTGF）和神经元靶基因——ras基因家族A，当缺血性损伤发生后，miR-133b使缺血区域的CTGF和RohA表达减少，从而减少缺血区域内胶质瘢痕增生、促进神经元轴突生长，从而促进神经修复。这表明特定miRNA 在发挥作用时具有细胞特异性，还可能存在协同机制。Zhang等[21]进一步研究发现MSCs外泌体中的miR-17-92可靶向抑制神经元中PTEN基因（mTOR信号通路相关的一种内源性轴突再生负调节因子）的表达，进而促进轴突生长、加速神经修复。

4.3 蛋白质的作用

除了miRNA，蛋白质在MSCs外泌体的治疗中也发挥着重要作用。在大鼠脑出血模型中，Otero-Ortega等[15]通过进一步研究发现MSCs 外泌体中存在多种参与大脑功能修复的蛋白，如突触囊泡膜蛋白（vesicle membrane protein，VAT1）、突触结合蛋白-11（synaptotagmin-11，SYT11）、血管内皮生长因子、神经纤毛蛋白2（neuropilin-2，NRP2）等。

5 总结

临床前研究表明，无论是天然外泌体或是修饰过的MSCs外泌体在神经系统疾病中都有强有力的治疗作用，目前，正在研究以人细胞外囊泡为基础的治疗方案，特别是人MCS 外泌体[28]。但是基于MSC 外泌体的临床治疗转化仍面临着挑战。目前尚不清楚MSC外泌体治疗的确切细胞和分子机制，质量控制标准仍有待建立，以确保外泌体产品的一致性和可重复性，以优化工程，使临床效益最大化，这些都亟待进一步的研究完善。为解决这些问题，在基础研究方面，需要对MSC外泌体中miRNA和蛋白质进行深入的研究分析，以明确外泌体作用的分子机制；在实践中，需要充分考虑安全性，并着重研究修饰过的MSC外泌体，使其定向作用于预期的靶点，达到最大的治疗效益。