外泌体对神经系统疾病的作用研究进展

铁 岩 李 潇 杨鑫伟 许利平

神经系统疾病是一类临床常见疾病，包括中枢神经系统疾病，如阿尔兹海默症(Alzheimer′s disease, AD)，帕金森综合征(Parkinson′s disease, PD)等，以及周围神经疾病，如糖尿病周围神经病变(diabetic peripheral neuropathy, DPN)等。这类疾病发病机制十分复杂，如AD的发病与Tau蛋白过度磷酸化、β-样淀粉蛋白积累、神经递质水平降低、炎症损害神经元、晚期糖基化终产物与其受体相互作用密切相关[1]。PD的发病机制涉及多种途径，包括细胞凋亡、自噬、氧化应激、炎症、α-突触核蛋白聚集和神经递质变化等[2]。DPN的发生、发展主要与高血糖引起施万细胞(Schwann cells，SCs)凋亡有关，病变机制主要涉及氧化应激、炎性反应、内质网应激、自噬和硝化等[3]。在治疗上临床多以对症治疗，但治疗后神经功能并不能完全恢复，因此迫切需要寻找更有效且安全的治疗方法。外泌体(exosomes, EXOs)是一类各种细胞均可分泌的具有双层膜结构的囊泡样物质。近年来，研究者发现EXOs可以在很多疾病中发挥作用，引起极大的关注，如癌症、2型糖尿病、肥胖症、类风湿性关节炎和神经退行性疾病等[4]。本文通过综述近年来EXOs对神经系统疾病的研究现状，为进一步深入研究其作用机制寻求更好的治疗方法提供参考。

一、EXOs

EXOs是一类具有双层膜结构的细胞外囊泡，直径为30～100nm。EXOs来源于细胞分泌，如神经干细胞，神经元，星形胶质细胞，SCs等，可以通过不同体液如血液、尿液、脑脊液等检测到EXOs。根据多组学研究，EXOs包含不同类型的生物分子，包括蛋白质、脂质和核酸。EXOs蛋白质包括取决于分泌细胞类型的蛋白质和与分泌细胞类型无关的特定蛋白质两种；核酸主要包括各种RNA，如微小RNA(miRNA)、环状RNA等，目前人们对miRNA研究较多，尤其癌症方面，可以作为治疗靶标[4]。

EXOs参与体内各种生物过程，其内含物可以反映机体的生理或病理状况。因此不同来源的EXOs作为神经系统疾病的标志物已达成共识，如星形胶质细胞来源EXOs因子水平也可随中枢神经系统疾病发展特异性增高或降低，可作为诊治鉴别疾病的重要工具及预测疾病发展变化的生物学标志物[5]。有文献表明，EXOs可以起到神经保护作用，如静脉注射骨髓间充质干细胞可以作用于受损的神经元和星形胶质细胞，明显改善糖尿病引起的认知障碍[6]。EXOs的内含物也可以直接参与神经系统活动，如EXOs miRNA在体内有不同的靶标，可以影响SCs增殖、迁移以及髓鞘形成，进而调节神经的生长发育[7]。EXOs还可以介导神经系统中细胞间通讯，如在神经突触通讯时，添加GABAA受体拮抗剂可以使突触前细胞释放EXOs，并调节突触强度和逆行信号[8]。EXOs可以与靶细胞相互作用，参与中枢神经细胞之间、SCs与轴突之间的信号交流[9]。

这些证据表明，EXOs中富含多种因子，参与神经系统正常运行，并且在神经系统的再生和重塑中起到重要作用，有助于研究者进一步探究神经系统疾病的发生机制，寻找新的治疗方法。

二、EXOs与神经病变

1.EXOs与中枢神经病变：中枢神经病变的诊断多依靠症状表现和影像手段，有时并不准确并贻误治疗时间，因其病变位置的特殊性，一般治疗药物无法到达血-脑脊液屏障。EXOs与传统神经细胞释放的囊泡不同，可以携带多种活性物质，直接参与细胞间信息交流和物质交流，促进神经祖细胞的增殖和分化，以及促进神经回路的发育，在维持神经元稳态和神经保护方面发挥重要作用，是神经元健康的调节剂。同时，EXOs携带了与AD、PD等疾病相关的错误折叠形式的蛋白质，可能参与了神经退行性疾病的致病过程[10]。此外，由于EXOs内含物随机体的生理病理状态改变以及EXOs结构的特殊性，在诊断和治疗中枢神经病方面，展现了光明的前景。以下以AD和PD为例，说明EXOs对中枢神经系统疾病的作用。

EXOs对AD的作用：AD是一种记忆和认知功能进行性丧失且不可逆的神经系统疾病，其主要病理特征包括淀粉样β肽1-42蛋白聚集和磷酸化tau蛋白诱导神经细胞凋亡。文献表明，EXOs因其可在神经细胞之间进行信息交流而可能携带毒蛋白参与了AD的发生。因此，检测EXOs中特定的毒蛋白可以作为诊断AD的一种新方法，如AD患者脑脊液和血浆EXOs中全长tau蛋白远高于正常人[11]。此外，AD患者血浆EXOs中miRNA-223、miRNA-212、miRNA-132等表达水平与健康志愿者组比较发生了显著变化，因此，EXOs来源miRNA可以作为AD早期诊断的标志物[12]。EXOs对AD有潜在的治疗作用，如间充质干细胞(mesenchymal stem cell, MSC)来源EXOs可以通过调节免疫、抗炎，促进β-淀粉样蛋白降解，保护神经元并促进神经元轴突生长，有助于治疗AD[13]。EXOs也被用于充当递送药物的载体治疗AD，载有槲皮素的血浆EXOs可以通过抑制磷酸化的tau介导的神经元纤维缠绕而改善AD小鼠认知功能，表现出治疗AD的潜力[14]。

EXOs对PD的作用：PD是一种进行性运动障碍，是仅次于AD的第二大常见的神经退行性疾病，发病机制复杂。有文献表明，路易体的存在、氧化应激、细胞凋亡等多种机制以及分子途径共同作用诱导多巴胺能神经元变性，最终导致PD的发生[2]。EXOs可以作为PD的生物学标志物，有文献分析了PD患者血浆EXOs中差异表达的miRNAs，发现PD患者血浆EXOs中miR-19b、miR-24和miR-195等水平比健康志愿者组变化表达明显，可以作为PD诊断潜在的生物学标志物[12]。EXOs对PD有一定的缓解作用。有研究发现，MSC来源EXOs可以携带有益的miRNA，并与神经元细胞相互作用，可以减少PD动物模型中的神经炎症并促进神经发生[15]。EXOs可被用作药物的运输工具，将携带特定外源性干扰RNA的EXOs递送至PD小鼠中，可以降低多巴胺神经元的死亡，改善临床症状[16]。

2.EXOs与周围神经病变：周围神经病(peripheral neuropathy，PN)是一类复杂而普遍的神经系统疾病，周围神经由神经纤维、支持组织和营养血管组成，神经纤维分为有髓鞘和无髓鞘纤维，髓鞘主要由髓磷脂和施万细胞(Schwann cells，SCs)构成。PN的病理机制复杂，如机体长期处于高糖状态，引起周围神经损伤，轴突变性消失，神经干遭到破坏，受损神经局部微环境改变，导致糖尿病周围神经病变(diabetic peripheral neuropathy, DPN)。研究证实，EXOs可直接作用于SCs，并有利于神经再生，下面以DPN为例，说明EXOs对周围神经病变的作用。

EXOs对SCs的作用：SCs是周围神经主要的神经胶质细胞，负责周围神经髓鞘的形成。SCs可以分泌多种神经营养因子，如脑源性神经营养因子，神经生长因子等，促进轴突的生长，并为神经元的存活提供适宜的微环境[3]。DPN主要病理改变是SCs损伤，神经纤维脱髓鞘。周围神经损伤(peripheral neuropathy injury, PNI)后，发生瓦勒变性，这个反应是PNI后神经再生的必要准备阶段，SCs在瓦勒变性中发生增殖并吞噬分解轴突和髓磷脂，还发生迁移以指导新生轴突的再生方向，因此，SCs可以作为DPN的靶标[17]。

EXOs可以作用于SCs从而改善DPN，促进神经再生。人类脂肪干细胞(adipose-derived stem cells， ADSCs)来源EXOs可以体外上调相关基因，促进SCs增殖、迁移，髓鞘化和神经营养因子的分泌，体内实验经过ADSC-EXOs治疗，大鼠坐骨神经轴突再生、髓鞘化显著恢复，同时ADSCs来源EXOs可以通过改变凋亡相关基因的表达来减少细胞凋亡，促进SCs增殖，从而促进周围神经再生[18，19]。牙龈间充质干细胞(gingival mesenchymal stem cells， GMSCs)EXOs可以显著促进SCs增殖和背根神经元轴突的生长，体内研究表明，GMSCs来源EXOs与可生物降解的壳多糖导管结合可以显著增加神经纤维数量和直径，并促进髓磷脂形成[20]。SCs自身分泌的EXOs也有助于神经修复。实验研究发现，静脉注射健康SCs衍生的EXOs至2型糖尿病小鼠中，可以促进小鼠坐骨神经髓鞘再生，明显改善DPN，体外数据显示SCs-EXOs促进糖尿病背根神经元的神经突增生，促进SCs的迁移[21]。PNI后修复型SCs可以分泌高表达miRNA-21的EXOs，促进神经突的生长，促进轴突再生[22]。

EXOs对神经炎性反应和血管再生的作用：PNI后的神经再生还涉及到神经炎性反应和血管再生。在瓦勒变性过程中，除SCs外，巨噬细胞和其他外周免疫细胞募集在损伤部位，促进髓鞘和轴突碎片的清除。而血管网络的重建可以为周围神经修复过程中的组织再生和生理功能恢复提供适宜的微环境[17]。EXOs不仅可以作用于SCs，还可以参与神经炎性反应、氧化应激，并促进血管再生，有助于神经修复。

实验研究表明，将MSC来源EXOs静注至链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠中，可以使小鼠周围神经组织中巨噬细胞M1表型转化为M2表型，从而降低促炎细胞因子水平；生物信息学分析表明，MSC来源EXOs含有的miRNA有助于TLR4/NF-κB信号通路的下调，表明MSC来源EXOs可以通过抑制促炎基因减轻DPN[23]。神经损伤后，巨噬细胞来源EXOs可以释放功能性NADPH氧化酶2复合物，进入到受损的轴突中与活性氧作用，刺激PI3K/AKT通路信号转导和产物再生，帮助轴突再生以及功能恢复[24]。MSC来源EXOs可以携带与调控血管生成的miRNA穿梭于各种细胞之间，并将这些miRNA转移至内皮细胞，起到促进血管生成的作用[25]；也有研究发现，将GMSCs来源EXOs装载到壳聚糖/丝绸水凝胶海绵中，可以明显增加糖尿病小鼠的微血管数量和神经纤维密度，增强血管生成和神经元生长[26]。ADSCs来源EXOs内含物本身含有促进神经生长的神经营养因子，如脑源性神经营养因子，神经生长因子等，证实EXOs有成为神经再生治疗工具的潜力[27]。

三、展 望

EXOs广泛存在于机体体液中，不同来源EXOs可以特异性反映不同组织的生理病理状态，神经系统疾病患者体内的EXOs内含物的特异性，可以作为疾病的标志物，为神经系统疾病的早期诊断指标提供了机遇[4]；EXOs由于其稳定性、低免疫原性、血-脑脊液屏障通透性和选择性递送的特性，可以携带药物并被靶细胞特异性摄取从而发挥治疗作用。但是EXOs的研究仍面临许多挑战，如EXOs中miRNA分选机制并不明晰，EXOs的分离和纯化无确定标准，混合EXOs的技术尚未成熟，携帯药物的EXOs与治疗药物合用时可能会产生不良反应，无法保证携带药物的EXOs的稳定性以及能够准确地被靶细胞识别摄取等[9]。但不可否认的是，EXOs在神经系统疾病的研究中拥有广阔前景。EXOs在不同组织都可产生，作为细胞间信息传递的媒介，不仅维持着神经系统的生理功能，还可以传递神经系统疾病相关物质作用于靶细胞，在疾病过程中发挥关键作用[10]。EXOs作为信息传递和药物治疗研究的工具，为深入研究神经系统疾病的作用机制和诊治开拓了新思路。