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外泌体

什么是外泌体?

外泌体是纳米尺寸的细胞外囊泡,直径为 40-100nm,由多囊泡内体或多泡体(MVB)分泌出来。所有培养的细胞类型均可分泌外泌体,且外泌体天然存在于体液中,包括血液、唾液、尿液、脑脊液和乳汁中。[1,2] 通过透射显微镜的观察下,外泌体的形态学为杯状。 [3]

外泌体是经多囊泡体外膜与细胞膜融合后释放到胞外基质中 。这将腔内囊泡(ILVs)释放到细胞外环境中,所释放的囊泡称为外泌体。随后,这些外泌体可以被附近的靶细胞吸收或通过生物流体前往其他部位。大多数哺乳动物细胞可以在多泡体内产生腔内囊泡,因而产生外泌体。[4,5,6,7,8,9,10,11]

起初,外泌体被认为是细胞废弃物,因此常被忽视。直到近十年,研究发现外泌体中含有各种生物活性分子,如蛋白质、核糖核酸(RNA)、脱氧核糖核酸(DNA)、脂质和小分子核糖核酸(microRNA;miR)。这使外泌体能够在细胞间进行细胞间通讯和大分子的传递。此外,它们也可是非常有用的药物载体,因为它们由细胞膜而不是合成聚合物组成,因此宿主可以更好地耐受它们。[1,4,6,7,12,13,14,15]

研究显示,间充质干细胞衍生的细胞外囊泡(如外泌体)可调节细胞间的通讯,并传递旁分泌于血管生成、组织再生和免疫调节过程,有助于间充质干细胞的治疗效力。来自间充质干细胞的外泌体扩展了间充质干细胞的生物学作用,它们有助于维持组织稳态以获得最佳组织功能。基于外泌体的使用效果与间充质干细胞的治疗相似,因此患者在间充质干细胞治疗的改善相信是由外泌体主导。[6]

外泌体含有什么?

外泌体中含有各种生物活性分子,如蛋白质、核糖核酸、脱氧核糖核酸、脂质和小分子核糖核酸。这些分子可调节细胞间外来体通讯, 并靶向特定细胞类型。[1,4,5,6,7,12,13,14,15] 这些分子的传递亦可改变细胞功能。[4] 这些核糖核酸已被证实在受体细胞中具有功能作用。外泌体中的小分子核糖核酸的比例实际上高于其亲本细胞。
小分子核糖核酸(miRNA)是一种长约14到24個核苷酸的非编码核糖核酸(RNA)分子,可调节其他基因的表。miRNA通过与目標信使核糖核酸(mRNA)结合,进而抑制转录后的基因表达,在调控基因表达、细胞增殖,细胞分化和细胞迁移等方面起重要作用。它们可以稳定地存在于体液中。循环囊泡在细胞间接触依赖性信号传导及通过可溶性分子将细胞信号发放中扮演了极大的角色。[1,4,5,6,7,12,13,14,15,16]

外泌体如何运作?

  1. T外泌体的跨膜蛋白将直接与靶细胞的信号转导受体互相作用。
  2. 外泌体与受体细胞的质膜融合,并将其内容物传送到细胞的细胞质中。
  3. 外泌体将被内化到受体细胞中,并具有 2 种命运:
    • 它们与细胞中的囊泡合并并经历胞移作用,把外泌体跨越受体细胞并将它们释放到邻近的细胞中。
    • 或者,细胞中的囊泡与外泌体融合,并将成熟为溶酶体并经历降解。
外泌体可以避免与已经损伤或突变DNA细胞转移的相关问题。外泌体也可用于解决由生物材料处理如纳米颗粒所引起的毒性和免疫原性问题。此外,大多数外泌体都很小,所以很容易通过毛细血管循环并穿过血脑屏障。[1,4,5,6,7,8,11,12,13,14,15,16 ]

血脑屏障

由于其高选择透性,血脑屏障(BBB)成为神经障碍治疗药物开发的障碍,因而妨碍许多潜在有益的诊断和治疗剂通过大脑。然而,外泌体能够克服这些问题,因为它们是天然存在于各种体液中的小囊泡,并且可在细胞之间传递各种生物学信息及内容。这促使科学家们一直建议将外泌体作为跨越血脑屏障的潜在运输方式。[17] 这种使用外泌体的转移模式已在 帕金森病动物模型中取得成功。[12]此外,研究发现神经元和主要类型的胶质细胞释放囊泡,提高细胞外囊泡(如外泌体)调节中枢神经系统传递信息的可能性。这意味着外泌体具有治疗神经退行性疾病的潜力。

外泌体可以帮助的疾病和症状:

伤口愈合 [11,18,18,20]

血管生成减少导致细胞死亡增加和伤口营养供应不足,促使性伤口的形成。外泌体能帮助修复及再生一些损伤和疾病。源自于间充质干细胞的生长因子可促进血管生成,细胞迁移,细胞增殖和再上皮化。间充质干细胞所释放的分泌物可在伤口环境中抑制皮肤细胞的死亡。

​ 在生长因子和间充质干细胞的组合下,间充质干细胞外泌体通过激活一些因子来增强成纤维细胞和角质形成细胞的增殖和迁移。它们促进伤口愈合,并通过调节淋巴细胞的增殖和分化来表现出免疫抑制作用。 间充质干细胞外泌体还具有血管生成作用,它们通过抑制低氧促有丝分裂因子 (hypoxia-induced mitogenic factor,HIMF)来抗血管重塑。

​ 来自间充质干细胞的外泌体能激活与伤口愈合相关的几种信号通路(Akt,ERK,STAT3),并且能诱导许多生长因子(肝细胞生长因子(HGF),胰岛素样生长因子-1(IGF-1),神经生长因子(NGF)和基质衍生生长因子-1(SDF1))的表达。

​ 在糖尿病临床前研究中,人间充质干细胞分泌的外泌体呈现伤口愈合作用,包括表现出体外促血管生成特性,激活糖尿病真皮成纤维细胞,诱导糖尿病角质形成细胞的迁移和增殖,并加速伤口闭合。此外泌体的重要组成部分有热休克蛋白-90α,促血管生成(miR-126,miR-130a,miR-132)miRNA和抗炎(miR124a,miR-125b)miRNA,以及调节胶原沉积的miRNA(miR- 21)。

缺血性中風和心血管疾病 [4,21,22,23,24,25]

尽管急性卒中治疗和神经康复方面取得了极大医学进步,但缺血性卒中仍然是导致长期残疾的主要原因。缺血性中风后的神经保护已成为中风恢复的主要障碍之一。一些临床前研究表示,细胞疗法可有效改善卒中后功能。

​ 外泌体疗法克服了基于细胞疗法有关的限制,例如在注射后容易进入缺血性脑,因为它们具有亲脂性,较少或没有免疫原性和致瘤性,并且有较低的微血管系统中的闭塞几率。在适当的实验条件下用间充质干细胞外泌体治疗能减轻中风后脑损伤并能改善神经学结果。

​ 静脉注射外泌体也能让外泌体通过血脑屏障并被内源性脑细胞摄取。外泌体可通过内吞途径、与质膜直接融合或与靶细胞结合,并把外泌体所含的 miRNA,mRNA 和蛋白质转移到靶细胞。

​ 外泌体将与内源性脑细胞通信,并诱导神经发生、白质/轴突和血管重塑,以及抑制神经炎症,从而促进神经保护或神经修复效应,并改善中风后的功能。

​ 外泌体疗法可以防止中风后体重的减少,预防卒中后脑损伤,减少卒中后躯体感觉功能障碍,促进恢复,并保留缺血性卒中后的运动功能。人脐间充质干细胞治疗可提高生存率,减少脑损伤,预防细胞凋亡,抑制炎症反应,下调 DNA 损伤诱导基因,上调DNA修复基因,并促进中风的神经恢复。

在心血管疾病方面,外泌体疗法主要通过其抗炎,抗细胞凋亡作用和促血管生成能力而改善心血管疾病。一项研究显示,间充质干细胞外泌体通过增加血管生成,减少梗塞面积,改善体内心脏重塑和增强VEGF表达和血管形成来促进心脏功能恢复。血管生成是组织修复的其中一个重要步骤,因为血管能为伤口上的细胞提供营养和氧气。间充质干细胞外泌体通过保护心肌细胞免于凋亡和促进血管生成来改善心脏收缩功能。

创伤性脑损伤 [26,27]

创伤性脑损伤(TBI)是全世界死亡和残疾的主要原因之一,并且尚未从临床试验中发现有效的治疗方法。然而在一项临床前研究中发现间充质干细胞对治疗创伤性脑损伤发挥了重要的作用。

​ 在原理验证研究中,静脉注射间充质干细胞所衍生的外泌体能提升恢复功能和促进神经可塑性。此外,外泌体不会复制或诱导微血管栓塞,它们可以安全地储存同时也不会丧失功能。
对于创伤性脑损伤以及中风,外泌体治疗并不会影响其它治疗(如间充质干细胞)的功效。在创伤性脑损伤治疗中,细胞将迁移到病变边界并增加此区的血管生成和相关神经营养因子。创伤性脑损伤后注射来自间充质干细胞的外泌体能增加血管密度和血管生成。

​ 间充质干细胞所衍生的外泌体治疗将促进脑内皮细胞增殖并且还增加缺血后血管生成。

神经发育障碍 ( 自闭症,大脑瘫痪,小儿发育迟缓 ) [28,29]

神经发育障碍(NDD)是指儿童在早期发育时因大脑的异常发育,导致了一系列的症状和疾病如个人与社会功能的缺陷。

​ 此疾病可以通过遗传缺陷,代谢紊乱,营养不良,毒素,感染,缺氧/窒息,低出生体重,围产期并发症或儿童脊髓损伤而造成。

​ 间充质干细胞所衍生的生长因子与外泌体有助于髓鞘再生,突觸生成和血管生成。其可以逆转细胞损伤并帮助间充质干细胞分化成神经元细胞。

​ 通过临床研究证明,利用来自间充质干细胞分化的外泌体可以改善社交互动中的行为与减少重复行为。

阿尔茨海默病 [9,32]

阿尔茨海默病(AD)是最常见的痴呆形式,是一种与年龄相关的神经退行性疾病。其特征在于记忆衰退和认知能力下降。随着阿尔茨海默病的发展,神经元和突触接触将透过大脑皮质,海马体,杏仁核和基底前脑流失。 β-淀粉样斑块和神经原纤维缠结是阿尔茨海默病的病理学之一。阿尔茨海默病的风险会随着年龄增长而增加,并且大多数的病例发病晚,通常在 65 岁后发病。

临床前研究显示,向大脑输注神经元外泌体会减少β-淀粉样斑块的产生和沉积。β-淀粉样蛋白将通过在外泌体表面上结合而被清除从而凸显外泌体在β-淀粉样蛋白清除中的作用。

​ 外泌体也可用作生物标志物,以在临床发作前预测阿尔茨海默病的发展。研究结果显示,间充质干细胞的外泌体能促进功能恢复,神经血管可塑性以及修复创伤性脑损伤和神经退行性疾病如阿尔茨海默病和金森病中损伤的组织从而发挥神经保护作用。

帕金森病E [30,31]

帕金森病(PD)是一种发展缓慢的神经退行性疾病。临床表现发现这疾病有以下特征如行动不能,僵硬和静止性震颤,肌肉僵硬,姿势不稳和运动迟缓。金森病是继阿尔茨海默病之后第二种最常见的神经退行性疾病,并且影响了大约 2% 65 岁以上人群。目前,金森病尚无法治愈。治疗目的只是为了缓解患者的不适症状。

​ 帕金森病的主要原因是大脑黑质中的多巴胺能细胞死亡。这导致了兴奋性(乙酰胆碱)和抑制性(多巴胺)神经递质的不平衡而引起症状。

​ 其他导致多巴胺能神经元变性的其他机制包括路易体,活性氧物质,神经炎症,兴奋性毒性,细胞凋亡和营养因子的丧失。多巴胺能神经元的退化并不是因为单一原因而通常是经分子途径的协同作用。

​ 帕金森病的生物标志物如今获得越来越多的关注。从帕金森病患者分离的外泌体中所发现的疾病相关蛋白激发了更多使用外泌体作为生物标志物的研究。作为天然的纳米囊泡,外泌体因可以穿过血脑屏障 (BBB),成了重要的药物递送载体。它们可以帮助间充质干细胞分化成多巴胺能神经元,并通过转移脱氧核糖核酸,核糖核酸和蛋白质以提供金森病中所需的神经保护作用。

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