外泌体的抗感染作用研究进展

马枫茜,陈瑞枫,丁寿鹏,李祥芳,吴利先

(大理大学基础医学院微生物学与免疫学教研室,云南 大理 671000)

外泌体是起源于内吞途径的纳米级微小囊泡的一种,直径约为30～150 nm,其表面表达CD63、CD9 和 CD81 等生物标志物[1-3]。由人体几乎所有类型细胞分泌,如间充质干细胞、NK 细胞和T 细胞以及中性粒细胞,它们具有母细胞的许多显著特征,同时具有自己的独特特征,含有DNA、RNA、蛋白质、脂质、核酸和代谢产物等生物活性大分子,并且能够将这些物质转移到其他受体细胞,调节受体细胞的功能[4-6]。外泌体存在于正常或病理状态的各种体液中,因此,可以在不同的体液中检测外泌体并可用作潜在诊断生物标志物,此外,其向受体细胞传递的物质有效地改变了受体细胞的生物反应,可以促进或抑制疾病的进展[6-7]。近年来,研究者逐渐阐明免疫细胞衍生的外泌体在健康生理过程和病理条件中的作用。例如,在遇到感染时,受感染的宿主细胞会释放外泌体,其中包含源自病原体的物质,这些物质可以诱导针对病原体的免疫反应[8]。此外,NK 细胞衍生的外泌体还含有典型的分子,如CD56、激活受体自然杀伤组2D(nature kill G2D,NKG2D)和诱导凋亡的 FAS 配体(Fas ligand,FASL),以及穿孔素和颗粒酶等,在体外诱导肿瘤细胞系凋亡[9]。另一方面,外泌体也可以作为 miRNA、mRNA 或药物的载体或运载工具,从而促进细胞间通讯和免疫调节[3,10]。鉴于外泌体的生物学特性,以及其在病毒、细菌、真菌的发病机制、传播和缓解中发挥着至关重要的作用,本综述旨在为一些重要的外泌体如何影响感染性疾病进展提供更广泛的视角。

1 外泌体的抗病毒作用

外泌体有独特的生物医学应用潜力,在抗病毒感染中,由于抗病毒药物必须穿过细胞屏障,如胎盘屏障或血脑屏障,才能到达靶细胞,从而发挥更好的治疗效果,而外泌体作为跨膜转运治疗剂的纳米载体,有望成为正在研究的针对抗病毒感染的潜在治疗方法,为临床治疗提供可靠的治疗途径[11]。

1.1 外泌体在抗病毒中的作用

早在2013 年,Li 等[12]就提出T 细胞释放的外泌体对人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)感染有抑制作用。与来源于CD4+T 细胞的CD4 分子缺失的外泌体相比,含有CD4+的外泌体可以抑制HIV-1 感染,这可能是由于含有CD4分子的外泌体掩盖了HIV-1 包膜蛋白,从而抑制了HIV 感染。同样,CD8+T 细胞分泌的外泌体也可以抑制感染细胞内的HIV 的转录。另一项研究发现感染了HSV-1 的细胞会分泌更多的外泌体,并且其中含有多余细胞内两倍多的CD63 四肽,而CD63 对HSV-1 感染存在影响,CD63 阳性的外泌体可以控制病毒在宿主中的传播,虽然病毒可以利用外泌体生物发生的机制进行自身组装,但它也可以刺激CD63阳性外泌体的释放以限制感染[13]。迄今为止,外泌体抑制病毒感染的实例越来越多,并且得到了证实。据报道,Conzelmann 等[14]研究表明唾液分泌的纯化的外泌体能够抑制塞卡病毒的感染。塞卡病毒可以通过体液,埃及伊蚊和白伊蚊传播,但研究者发现它不能通过深吻传播。唾液分泌的外泌体表达典型的外泌体标志物,如CD9、CD63 和CD81,并在唾液中高度富集,能防止塞卡病毒的附着并且竞争性地阻断塞卡病毒与靶细胞的连接,从而抑制病毒感染。但同时也发现唾液分泌的外泌体对SARS-CoV-2 的传播没有影响。

除了以上提到的,最近很多研究表明,外泌体作为一种输送系统,用于递送小分子物质,如mRNA、RNA、肽、蛋白质和许多其他生物分子,用于治疗各种病毒性疾病[15-18]。之后,Gu 等[19]研究发现源自脐带间充质干细胞(hucMSC)的外泌体通过激活 AMPK/mTOR 介导的自噬通量通路减轻柯萨奇病毒3(coxsackievirus 3,CVB3)诱导的心肌炎,从而减轻心肌细胞凋亡,这将有利于脐带间充质干细胞的外泌体治疗心肌炎。在该研究中,体内结果显示,hucMSC-外泌体显著减轻了心肌损伤,减少了促炎细胞因子的产生并改善了心脏功能。此外,体外数据显示,hucMSC-外泌体通过增加pAMPK/AMPK 比值和上调自噬蛋白LC3II/I、BECLIN-1 和抗凋亡蛋白BCL-2 来抑制CVB3 感染的HCM 的凋亡。以及降低pmTOR/mTOR 比值,促进自噬通量蛋白P62的降解和下调凋亡蛋白BAX。外泌体在抗病毒感染和抗肿瘤中都发挥着无法忽视的作用,但它也并不是单独发挥相应的作用,在一些病毒相关肿瘤中也抑制该病毒引起的肿瘤的发生发展。例如,去年的一项研究表明,γδT2 细胞可以直接杀伤爱泼斯坦-巴尔病毒(EB 病毒)相关的肿瘤细胞。并且,Wang 等[20]还发现同种异体的γδT2 细胞外泌体比自体外泌体具有更强的活性,不仅能直接杀伤EB病毒相关的肿瘤细胞,而且可以通过增强T 细胞介导的抗肿瘤活性,间接抑制肿瘤的发生和发展。此外,该研究还发现γδT2 细胞源性外泌体在治疗EB病毒相关肿瘤方面优于DC 源性外泌体和NK 源性外泌体,因为γδT2 细胞既有细胞毒性又有刺激T细胞的抗肿瘤能力。

1.2 外泌体的间接抗病毒作用

外泌体除了直接抗病毒作用外,Jungbauer[21]在2018 年报道的一项基于外泌体的疫苗研究表明,一种外泌体衍生的候选疫苗(由表达人乳头瘤病毒E7蛋白的DNA 载体与携带Nef 蛋白的外泌体C 末端融合而成)能够刺激细胞毒性T 淋巴细胞对人乳头瘤病毒E7 蛋白的反应。外泌体还参与病毒的发病机制与免疫反应,想要更好的利用外泌体进行相应的疾病治疗,还需更加了解它参与的发病机制,才能更好的为临床治疗服务。

2 外泌体的抗细菌作用

许多有关外泌体的研究都集中在抗肿瘤和抗病毒上。然而,新的研究表明外泌体或感染病原体的细胞来源的外泌体也可以促进抗原提呈和巨噬细胞活化,诱导抗菌反应,从而控制细菌复制。

2.1 外泌体在抗分枝杆菌中的作用

Bhatnagar 等[22]研究表明,感染细胞内病原体如结核分枝杆菌、牛分枝杆菌、BCG 的巨噬细胞释放出的外泌体中包含有病原体相关分子模式(PAMPs)。这些外泌体在接触未感染的巨噬细胞时,会通过Toll 样受体(toll-like receptor,TLR)和髓样分化因子88(myeloid differentiation factor 88,MYD88)依赖性方式刺激受体幼稚巨噬细胞的促炎反应,发挥抗细胞内病原体感染的作用。同样,感染鸟分枝杆菌巨噬细胞的外泌体能够增强巨噬细胞CD80 和CD86 的表达以及TNF-α 和IFN-β 的分泌,从而引起免疫激活[23]。在此基础上,Wang等[24]也发现未感染的巨噬细胞在用感染鸟分枝杆菌的巨噬细胞分泌的外泌体刺激后增加了CD40、CD80、CD81、CD86、HLA-DR,尤其是CD195 的表达,同时也增强了IL-6、IL-8、IL-10、IFN-I 和 TNF-I的分泌。以上这些研究表明,来自分枝杆菌感染巨噬细胞的外泌体可以充当 PAMPs,诱导幼稚巨噬细胞活化,刺激抗分枝杆菌免疫反应。如上所述,结核分枝杆菌感染巨噬细胞衍生的外泌体刺激幼稚巨噬细胞并诱导促炎细胞因子的分泌,激活机体免疫系统,继而引起结核分枝杆菌的自噬清除[25]。

2.2 外泌体在抗其他细菌中的作用。

除了分枝杆菌外,在嗜肺军团菌感染的情况下,外泌体不仅激活周围的肺泡上皮细胞发挥细胞间通讯作用,还通过Toll 样受体2(TLR2)激活静息状态的巨噬细胞,导致增强的 CXCL8 释放,有利于创造促炎环境以产生免疫反应,最终通过募集中性粒细胞来清除病原体感染[26]。此外,有研究发现,受感染的巨噬细胞在感染2 h 后会产生CD63 阳性和CD9 阳性的外泌体,并且通过Toll 样受体4 (tolllike receptor 4,TLR4)依赖性触发来自幼稚巨噬细胞和树突状细胞的肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α),同时也刺激 RANTES、IL-1ra、MIP-2、CXCL1、MCP-1、sICAM-1、GM-CSF 和 G-CSF 等细胞因子的分泌。Hui 等[27]表明,促炎外泌体是在鼠伤寒沙门氏菌感染巨噬细胞的早期形成的,它们可用于将物质转移到幼稚巨噬细胞,导致其激活参与免疫反应。近年来,越来越多的研究正向细胞源性外泌体的治疗性作用开展。Jia 等[28]研究发现在铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa,PA)肺部感染的小鼠模型中,NK 细胞源性外泌体通过促进M1 巨噬细胞极化来改善PA 诱导的肺损伤。他们推测,在肺PA 感染的早期,M1 极化促进巨噬细胞对铜绿假单胞菌的吞噬作用。同样,骨髓间充质干细胞来源的外泌体也可治疗男性衣原体感染性[29]。

外泌体除了直接发挥的抗菌作用之外,也可作为药物载体用于递送抗生素等靶向治疗细菌感染。例如,在如今滥用抗生素的大背景下,细胞内耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin-resistantStaphylococcusaureus,MRSA)极难被普通抗生素清除,导致感染复发和耐药情况的发生。Yang 等[30]研究提出,利用甘露糖化的外泌体将溶葡萄球菌素和万古霉素递送至细菌感染部位以根除细胞内 MRSA。其中,甘露糖化的外泌体作为药物载体可以优先被巨噬细胞吸收,以至药物在细菌感染部位积累,另一方面,溶葡萄球菌素针对葡萄球菌属,没有毒性,联合杀菌策略将减少万古霉素的剂量,从而降低毒性和耐药性,增强细胞内细菌的根除能力。在外泌体上装载抗菌化合物靶向递送的方法为对抵抗MRSA 等侵袭性强且耐药性广的胞内细菌感染开辟了一条新的治疗途径,但在联合用药策略的使用以及药物吸收情况等方面还有待研究。

无论是外泌体本身发挥的抗菌作用,还是运载物质靶向抗菌,其机制都还未得到更加深入的阐述,在未来的研究中,更多的科学研究应该注重于杀菌机制的提出,为临床提供可靠的治疗思路。

3 外泌体的抗真菌作用

外泌体等细胞外囊泡已逐渐成为杀死真菌的一种武器。Andriantsitohaina 等[31]和 Reales-Calderón 等[32]研究表明,无论是来自念珠菌感染的还是来自未感染的THP1 巨噬细胞衍生的外泌体,都对其他THP1 分化的巨噬细胞具有类似的效应功能,即激活ERK 和p38 激酶途径,并增加促炎细胞因子的分泌和念珠菌酸活性;而在THP1 非分化的单核细胞中,只有来自感染巨噬细胞的外泌体显著增加了TNF-α 的分泌,这对小鼠和人类巨噬细胞白色念珠菌感染控制起重要作用。此外,一项研究发现新生隐球菌感染的巨噬细胞也能产生外泌体,增强感染隐球菌的小鼠的炎症反应,有着较高的杀菌生物学效应[33]。除了巨噬细胞外,多形核粒细胞(polymorphonuclears,PMN)产生的细胞外囊泡对于控制真菌感染也是至关重要的。人类致病性真菌烟曲霉触发PMN 释放一组独特的抗真菌外泌体,通过蛋白质组分析表明这些外泌体富含抗菌蛋白,能够与真菌结合,限制生长,并通过输送抗真菌药物引起细胞损伤,从而起到杀菌作用[34]。

真菌产生的外泌体也能刺激免疫反应,发挥杀菌作用。Brauer 等[35]研究发现曲霉菌能够产生外泌体,这些外泌体具有免疫原性,能够刺激巨噬细胞的杀菌功能并且引起 M1 极化,并对黄曲霉感染具有保护作用。他们认为这可能是治疗由曲霉菌引起的曲霉病的治疗靶点。外泌体能够抵抗真菌感染这一发现为临床提供了一个有效的,以前被忽视的抗真菌防御的方法,但其应用广泛性仍需进一步研究。

4 结语与展望

外泌体由各种类型细胞分泌,包括间充质干细胞、NK 细胞和T 细胞、中性粒细胞以及已感染巨噬细胞;可以转运蛋白质、脂质、miRNA、mRNA 或药物,在细胞间信号转导中发挥着重要作用。外泌体与各种疾病间的联系越来越紧密,是目前研究的热点之一。而有关外泌体的抗感染作用研究仍处在发展阶段,如上所述,在感染性疾病中,外泌体可以引起促炎反应,能够激活机体免疫系统,增强免疫细胞的杀伤能力,有着较高的杀菌生物学效应,且能够抑制病毒的复制和感染,但是具体作用机制仍然需要进一步阐述。目前已知细胞来源的外泌体能通过表达CD4+、CD8+等表面分子,激活相应的信号通路如AMPK/mTOR、pAMPK/AMPK 和ERK 和p38 激酶途径,以及TNF-α 和IFN-β、IL-6、IL-8、IL-10、IFN-I 和 TNF-I 等细胞因子抑制细菌、病毒、真菌的感染,发挥杀伤作用(见图1),除了现有研究表明的机制之外,其在其他易感染病毒或细菌如结核分枝杆菌感染等方面的作用机制仍需进一步研究外泌体作为外分泌体,其最明显的作用是靶向运输物质,继而发挥抗感染作用,这也是未来研究外泌体在抗感染方面的重要着手点。但外泌体的富集、分离和储存方法及如何提高外泌体的获得量也是目前面临的挑战之一。此外,外泌体抗感染作用的相关机制、治疗潜力以及递送效率等方面都值得进一步研究。

图1 不同细胞来源外泌体作用Figure 1 Role of exosomes of different cell sources