間充質干細胞外泌體在神經系統疾病治療中的研究進展

吳玲姍，喻志源，駱翔

中樞神經系統損傷后缺乏持續性的修復和再生能力，探尋一種促進大腦和脊髓神經修護的治療方法是當前的研究熱點。動物實驗證明間充質干細胞（mesenchymal stem cells，MSCs）移植療法是一種有效的治療方法。干細胞是一種具有再生各種組織器官潛能的組織細胞，而MSCs 是成體干細胞的重要成員之一，是一類具有自我更新和多向分化潛能的多能干細胞，來源廣泛、獲取容易、免疫原性低[1,2]。MSCs 移植治療的基本原理是促進移植的MSCs 進行分化，取代死亡神經元。最新研究表明，由MSCs 釋放的外泌體在治療缺血性腦卒中、創傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）和其他神經退行性疾病中具有重要意義[3,4]。外泌體是納米級雙層磷脂膜囊泡小體，廣泛存在于體液和各種細胞中，細胞通過外泌體主動分選機制將特定細胞內容物，如多種特異性蛋白質、脂質和核酸等物質包裹于其內，與受體細胞靶向融合，參與細胞間物質轉運及信息交流，在多種生理及病理過程中發揮重要作用[5]。本文綜述外泌體在大腦細胞間信號傳遞中的最新進展，并探討MSCs 外泌體在神經系統疾病中作用的研究進展。

1 外泌體的生物學特性和功能

外泌體幾乎是所有細胞均可分泌的一種膜性囊泡結構，直徑約為30～150 nm，包含脂質、蛋白質、核酸（如mRNA、microRNA、LncRNA、DNA）等生物信息[6]。由于其穩定的脂質雙分子層，外泌體能夠在細胞間轉移其生物活性分子，從而參與細胞間通訊[6]。外泌體的這些內含物中，microRNA（miRNA）的作用尤為重要，外泌體中miRNA的含量最高，高達41.7%[7]。miRNA 是一類長度約為22 nt、進化保守的非編碼RNA 分子，參與基因表達的轉錄后調控[8]。成熟的miRNA 通過降解目的mRNA 或抑制翻譯引起基因沉默，從而對細胞的增殖、分化、凋亡和遺傳性狀進行調控。

2 外泌體與血腦屏障的關系

大多數藥物無法通過血腦屏障，這是神經疾病在治療方面所面臨的一大挑戰。研究表明，外泌體可以穿過血腦屏障發揮作用。將攜帶CD63-GFP的外泌體注入動物體內，一段時間后可發現神經元、膠質細胞和大腦內皮細胞中產生了熒光信號[9]。經鼻飼給藥后，無創體內CT 顯示標記有金納米顆粒的基質細胞外泌體成功進入健康小鼠大腦。局灶性腦缺血損傷處理后，這些標記的外泌體則聚集在缺血灶周圍[10]。借由放射性元素標記方法，巨噬細胞外泌體被發現同樣可通過血腦屏障[11]。目前認為外泌體穿過血腦屏障進入中樞神經系統有兩種機制：第一種，外泌體可能通過胞吞作用被內皮細胞吸收，最終轉移到受體細胞[12]；第二種，外泌體可能通過內皮細胞之間的細胞間隙進入中樞神經系統[13]。

3 MSCs 外泌體在神經系統疾病治療中的應用研究

MSCs外泌體能夠產生類似于來源MSCs 的再生與修復潛能，這一功能己經在多種動物疾病模型中得到證實。Zhang 等[3]與Xin 等[4]分別首次報道MSCs外泌體在TBI和缺血性腦卒中動物模型中的治療潛力。這些研究表明，靜脈注射MSCs 外泌體治療缺血性腦卒中或TBI的大鼠模型，與MSC移植治療相比，可同樣顯著地促進神經血管再生，改善恢復期的行為和認知結果[3,4]。隨后，Doeppner等[14]對這兩種治療方法進行直接比較，結果表明缺血性腦卒中小鼠中MSCs 移植療法或MSCs 外泌體療法可同等改善運動功能。在腦出血大鼠模型中發現，MSCs 外泌體療法可改善腦出血后感覺運動和認知功能的恢復[15,16]。Cui 等[17]在APP/PS1 小鼠阿爾茲海默癥疾病模型中發現MSC外泌體可以促進Aβ降解、減緩認知功能下降。缺氧預處理的MSC 則會增強這些效應。Katsuda 等[18]發現脂肪源性MSCs 外泌體富含腦啡肽酶，可促進Aβ降解，而Aβ沉積正是阿爾茲海默癥病理改變的核心機制之一。Lee 等[19]發現人類脂肪MSCs 外泌體可減少亨廷頓蛋白的聚集、調節凋亡相關蛋白、保護線粒體，表明其在治療亨廷頓病方面具有一定的潛力。另外也有研究探討MSCs 外泌體在治療產前腦損傷方面的治療能力。這些研究表明，MSCs外泌體有助于甚至介導MSCs 的移植治療。然而，MSCs 外泌體是否表達主要組織相容性復合體分子尚不清楚，因此需要更多的研究來系統地評價外泌體對宿主免疫反應的影響。

3.1 直接作用

神經修復治療的主要目的是直接作用于健康的腦細胞，促進大腦自我修復[20]。細胞實驗表明，MSC外泌體通過促進神經元樹突和軸突的生長，從而促進神經修復[21]。

3.2 間接作用

研究表明，外源性外泌體除了對腦實質細胞的功能有直接影響外，還有間接的神經恢復作用。在大鼠局灶性腦缺血模型中，MSC 外泌體可刺激星形膠質細胞釋放外泌體，而后者可促進皮質神經元突起生長，這表明星形膠質細胞外泌體可協助MSC外泌體對腦缺血后神經突觸重塑[22]。由此可見，MSC外泌體可作用于受體細胞，促進后者釋放外泌體，參與細胞之間通訊交流，從而促進神經修復。

3.3 調節免疫炎癥反應

缺血性腦卒中和TBI等神經疾病會引發神經系統的炎癥反應，從而加劇腦損傷。臨床研究表明，循環中的內源性外泌體可能加劇缺血性腦卒中引發的炎癥反應。急性腦卒中患者外周血中的外泌體富含C反應蛋白，此外，這些外泌體可以激活巨噬細胞，并促進后者高表達細胞因子和趨化因子[23]；這些高表達的細胞因子和趨化因子與腦卒中后不良預后有關[23]。而一些臨床前研究表明MSC 外泌體可以抑制炎癥反應。研究發現在缺血性腦損傷小鼠模型中，盡管MSC外泌體對大腦免疫細胞浸潤無影響，但可減弱缺血后免疫抑制反應[14]。

3.4 系統性作用

雖然外泌體在治療缺血性腦卒中和TBI等神經疾病中的靶器官是大腦，但一些證據表明其作用可能不僅僅局限于大腦。在嚙齒動物腦缺血模型中，大腦內皮細胞外泌體可以加劇心臟功能衰竭[24]，表明外泌體在器官水平存在相互影響。同樣，有研究表明，外周細胞源性外泌體可以引起外周炎癥和大腦炎癥的相互作用。MSC外泌體是否也有同樣的系統性作用還待進一步研究。

4 MSCs外泌體的作用機制

外泌體與受體細胞的質膜或內吞膜融合，隨后將其攜帶的蛋白質、脂質和核酸轉移到受體細胞，而外泌體轉運的這些物質可能改變了受體細胞的功能[25]。

4.1 miRNA的作用

遺傳學研究表明，miRNA 可以改變受體細胞的功能，并在MSC外泌體的治療中發揮效應[26]。利用基因工程修飾的外泌體來傳遞特定的miRNA用于治療腦卒中的研究正在積極進行中。研究發現，與未修飾的MSCs 外泌體相比，過表達miR-133b 或miR-17-92 的MSCs 外泌體在治療大鼠缺血性腦卒中和腦出血時，對抑制軸突生長的靶蛋白可發揮更強的抑制作用，并抑制導致神經元死亡基因的表達，從而促進軸突生長和神經發生[4,27]。

4.2 特異性靶基因

miRNA 與靶基因的關系，可以是一一對應的，即某個特定miRNA調節一個特殊的靶基因，進而影響到一條特定的信號通路；同時miRNA 和靶基因的關系也可以是多元的，即一個miRNA 可調控體內多個靶基因，或者多個miRNA 可調控同一個靶基因。在大鼠缺血性腦卒中模型中，Xin等[4]通過進一步研究發現，MSC 外泌體中的miR-133b 可分別作用于星形膠質細胞靶基因——結締組織生長因子（connective tissue growth factor，CTGF）和神經元靶基因——ras基因家族A，當缺血性損傷發生后，miR-133b使缺血區域的CTGF和RohA表達減少，從而減少缺血區域內膠質瘢痕增生、促進神經元軸突生長，從而促進神經修復。這表明特定miRNA 在發揮作用時具有細胞特異性，還可能存在協同機制。Zhang等[21]進一步研究發現MSCs外泌體中的miR-17-92可靶向抑制神經元中PTEN基因（mTOR信號通路相關的一種內源性軸突再生負調節因子）的表達，進而促進軸突生長、加速神經修復。

4.3 蛋白質的作用

除了miRNA，蛋白質在MSCs外泌體的治療中也發揮著重要作用。在大鼠腦出血模型中，Otero-Ortega等[15]通過進一步研究發現MSCs 外泌體中存在多種參與大腦功能修復的蛋白，如突觸囊泡膜蛋白（vesicle membrane protein，VAT1）、突觸結合蛋白-11（synaptotagmin-11，SYT11）、血管內皮生長因子、神經纖毛蛋白2（neuropilin-2，NRP2）等。

5 總結

臨床前研究表明，無論是天然外泌體或是修飾過的MSCs外泌體在神經系統疾病中都有強有力的治療作用，目前，正在研究以人細胞外囊泡為基礎的治療方案，特別是人MCS 外泌體[28]。但是基于MSC 外泌體的臨床治療轉化仍面臨著挑戰。目前尚不清楚MSC外泌體治療的確切細胞和分子機制，質量控制標準仍有待建立，以確保外泌體產品的一致性和可重復性，以優化工程，使臨床效益最大化，這些都亟待進一步的研究完善。為解決這些問題，在基礎研究方面，需要對MSC外泌體中miRNA和蛋白質進行深入的研究分析，以明確外泌體作用的分子機制；在實踐中，需要充分考慮安全性，并著重研究修飾過的MSC外泌體，使其定向作用于預期的靶點，達到最大的治療效益。