微囊泡在组织再生中的研究进展

王喜梅(综述)，杨跃进，吴永健(审校)

(北京协和医学院中国医学科学院心血管病研究所阜外心血管病医院冠心病诊治中心，北京 100037)

微囊泡在组织再生中的研究进展

王喜梅△(综述)，杨跃进※，吴永健(审校)

(北京协和医学院中国医学科学院心血管病研究所阜外心血管病医院冠心病诊治中心，北京 100037)

微囊泡作为新发现的细胞间信号传递分子引起越来越多的关注，它来源于细胞膜，含有与母细胞膜相似的脂类和蛋白质。通过介导配体-受体反应或传递胞质成分及细胞器等方式使母细胞与靶细胞发生联系。近年来研究发现微囊泡在组织再生中发挥着重要的生物学作用。现就微囊泡的生物学特性、与靶细胞的作用方式及在组织再生中作用的研究进展进行综述。

微囊泡;组织再生;干细胞

细胞微囊泡是各类细胞遭受一系列应激(激活或凋亡)时，从细胞质膜上脱落而释放的膜性小囊泡。微囊泡作为新发现的细胞间信号传递分子含有与母细胞膜相似的脂类、蛋白质、mRNA、microRNA(miRNA)，也可能包括胞质中的细胞器。微囊泡参与动脉粥样硬化、心肌梗死、糖尿病等多种疾病的发生和发展。现对微囊泡在组织再生中的研究进展综述如下。

1 微囊泡的生物学特性

目前研究最多的微囊泡的两种类型是外核体和细胞微粒。当含有多囊小体的细胞膜融合到质膜时，外核体便从细胞膜释放，其直径大小在30～100 nm，其在免疫反应调节中发挥重要作用，细胞微粒的直径通常在100～1000 nm［1-3］。微囊泡可在正常个体血浆中检出，病理情况下其水平升高。最新的研究显示骨髓间充质干细胞分泌的外核体具有心脏保护作用，可减少心肌缺血/再灌注损伤并促进损伤组织的修复［4］，而CD34+干细胞来源的外核体具有促进缺血组织处血管新生的作用［5］。微囊泡最初在血液系统中发现，1967年，Wolf［6］报道激活的血小板能够释放细胞膜囊泡并称之为“血小板尘埃”。随后的研究发现，除血小板外，循环血液中的红细胞、中性粒、淋巴细胞和单核细胞以及血管内皮细胞和部分平滑肌细胞同样能够释放此类物质。由于这种细胞膜来源的产物为膜性结构并呈圆形外观，形状近似微小的囊泡，因此将其称为“微囊泡”。细胞在正常生理条件下可以产生少量微囊泡，在某些病理条件下(如缺氧、辐射、氧化应激等)，特别是当细胞被激活或者处于细胞凋亡进程时，微囊泡的产生明显增多［7］，细胞激活或凋亡时释放的微囊泡在大小、膜磷脂与蛋白质的组成以及生理功能上有明显差异［8］。活化或凋亡细胞的共同特征是正常的膜磷脂不对称分布消失，导致磷脂双层中外层的磷脂酰丝氨酸增加。细胞膜磷脂不对称分布消失常伴随细胞膜出芽和脱落，产生磷脂均匀分布的微囊泡。这种微囊泡脱落可移除局部磷脂对称分布的细胞膜，使细胞恢复到静息状态。微囊泡由激活或凋亡的细胞表面释放后，对周围其他细胞产生多效性作用。微囊泡的生物学作用起初未受到重视，曾被认为是细胞碎片，仅是细胞活化或损伤的标志物。越来越多的研究发现微囊泡具有重要的生物学作用，可以与邻近或远处的细胞相互作用，传递生物信息。

2 微囊泡与靶细胞的作用方式

微囊泡与靶细胞有多种作用方式，主要表现为以下几种：①通过其表面的配体与靶细胞的受体结合继而激活或抑制靶细胞内的转导通路。②传递母细胞的蛋白质或mRNA到靶细胞。微囊泡在形成过程中可以将母细胞质中的成分(蛋白质、mRNA或miRNA s)包裹进去，然后传递到靶细胞中，使其具有新的生物学功能或遗产特征［9］。③将母细胞膜的受体转移到靶细胞而呈现相关受体表型。④作为载体转移完整的细胞器或致病因子。在特定的情况下，微囊泡也能以载体形式将病毒(如人类免疫缺陷病毒或朊病毒)传递给其他细胞，既可以直接把病毒传递给靶细胞，也可通过病毒结合未感染细胞表面受体来完成。研究显示一些细胞器如线粒体及其DNA也能够在细胞之间进行传递，因此有些学者推测干细胞改善心肌修复的机制可能涉及微囊泡将功能完整的线粒体传递给受损心肌细胞。

3 微囊泡在组织再生的作用

组织损伤处的细胞释放带有遗传信息的微囊泡，微囊泡将信息传递到骨髓来源的干细胞，使其表型发生变化以获得受损组织的特征［10］。同时，干细胞来源的微囊泡诱导损伤组织存活细胞的去分化使其重新进入细胞周期，从而促进组织再生［11］。细胞之间通过传递微囊泡携带的相关遗传信息而进行持续的基因调节，这可能是调节细胞表型变化的重要机制［12］。

3.1 微囊泡与干细胞的相互作用 干细胞包括胚胎干细胞和成体干细胞，具有自我更新和分化潜能。干细胞在组织损伤处可分化为各种细胞表型，如心肌细胞、内皮细胞、骨骼肌细胞等，这种跨系谱(或跨胚层)分化特性被称为可塑性或横向分化。研究显示，干细胞可通过细胞融合形成心肌细胞谱系，这种细胞融合发生率较低。组织损伤后释放的细胞因子对移植的干细胞有诱导分化的作用。另外，移植的干细胞能够分泌促血管新生相关因子，促进血管新生，从而促进心脏修复。细胞膜微囊泡通过表面的配基与靶细胞表面受体结合或在膜融合后将母细胞的表型特征传递给靶细胞，从而影响细胞的生物学功能。干细胞的表型随着细胞周期状态的不同而不断发生变化直至遇到最终的分化刺激因子［13-14］。另外，干细胞所处的微环境决定其表型变化，微囊泡通过在细胞间传递遗传信息而发挥调节作用，这种持续的调节是调节干细胞表型变化的关键因素。损伤的细胞与骨髓来源或固有的干细胞之间的遗传信息的交换是双向性的：一方面损伤细胞释放的微囊泡可以重组干细胞的表型从而使其具有组织特异性;另一方面，干细胞来源的微囊泡可以诱导损伤处存活细胞重新进入细胞周期进而促进组织再生。干细胞富含微囊泡，胚胎干细胞来源的微囊泡是调节干细胞自我更新和扩增的关键成分［15-16］。微囊泡通过传递蛋白质、mRNAs和miRNAs等物质，介导干细胞移植后的旁分泌通路。

3.2 微囊泡重组干细胞的表型 干细胞移植到损伤组织能否产生组织特异性的细胞一直存在争议，研究发现干细胞的分化决定于损伤细胞发出的信号及微囊泡所介导的细胞变化［12］。骨髓干细胞和损伤的肺细胞共培养后发现干细胞中有肺特异的基因和蛋白表达［17］。肺脏损伤细胞释放的微囊泡通过与干细胞结合将mRNAs等物质传递到干细胞，从而介导干细胞表型的变化。干细胞的转分化在某些程度上决定于受损组织的mRNAs或蛋白质等信息。损伤组织释放的微囊泡不仅可以重组骨髓来源的干细胞，还可以影响组织固有干细胞的表型变化［18-19］。以上研究结果表明损伤组织来源的微囊泡所携带的遗传信息不仅可以解释干细胞的可塑性及表型变化特征，同时提示干细胞不需要转化为相应的组织细胞也可以修复损伤组织。

3.3 干细胞来源的微囊泡介导损伤组织的功能修复 研究显示干细胞移植后可通过转分化或融合作用成为靶细胞［20］。即使细胞短暂定位在损伤组织区域，也可助于组织再生和功能恢复，其中旁分泌机制起着重要的作用，已经确认的细胞之间信号传递物质有生长因子、细胞因子、表面受体和核苷酸等，近年来将微囊泡纳入其列［21］。事实上，干细胞通过分化或细胞融合作用而产生的心肌细胞和血管内皮细胞很少，似乎不能够解释所观察到的功能改善效应。研究显示干细胞所释放的细胞因子有助于心脏修复，骨髓间充质干细胞的培养基可以模拟干细胞治疗效果，说明干细胞修复损伤组织与其旁分泌因子作用密切相关［22-24］。鉴于以上研究结果，一些学者认为干细胞改善损伤修复的机制大部分来源于其分泌的微囊泡作用［18］。当微囊泡内的RNA失活时，微囊泡体内和体外的组织修复能力消失，说明微囊泡组织修复能力依赖于囊泡内的RNA。骨髓间充质干细胞来源的微囊泡含有特定的miRNA特征，微囊泡内的miRNA不是随机聚集的，并且其RNA含量与刺激因素呈现明显的量效关系，这说明微囊泡特定物质的聚集可能受一种特殊机制调控［25］。干细胞来源的微囊泡富含某些特定的蛋白和转录因子，可能存在某种细胞机制选择区分这些分子进入微囊泡。干细胞来源的微囊泡介导的mRNA或蛋白质转移可能诱导了成熟细胞的再分化，触发增殖程序，从而有助于损伤组织的修复。然而，微囊泡携带特定遗传信息的具体机制，这些遗传物质进入靶细胞后是否激活翻译或转录的特定位点目前仍不是很清楚。

3.4 微囊泡影响损伤处的血管新生 微囊泡可直接影响配基与受体之间的相互作用，也可通过调节可溶性细胞因子的产生影响内皮细胞的分化、增殖等来间接影响血管新生的过程［26］。微囊泡诱导内皮细胞促血管新生因子的增加和减少抗血管新生因子产生，并贯穿整个血管新生过程［27-28］。其中过氧化酶增殖激活受体α/核因子κB信号通路在微囊泡促进血管新生中起着重要的作用［29］。研究显示血小板来源的微囊泡结合到造血干细胞或内皮祖细胞上可增加其干细胞的分化能力［30］。内皮祖细胞来源的微囊泡通过其表面的α4和β1整联蛋白相互作用整合到内皮细胞上，激活血管新生相关信号通路［9］。内皮细胞凋亡时释放的微囊泡具有血管保护效应，可抑制内皮细胞的凋亡及促进其增殖［28］。

不同母细胞来源的微囊泡成分不同，作用也不尽相同。T淋巴细胞凋亡时释放的微囊泡通过下调血管生长因子受体2和细胞外信号调节激酶相关通路来抑制血管新生。将T淋巴细胞凋亡时释放的微囊泡注射到小鼠肿瘤组织内，发现肿瘤体积减小、血管化和体内血管生长因子水平下降［31］。微囊泡抑制血管新生的特性在肿瘤治疗领域有重要的价值。另外，微囊泡还可以通过增加活性氧产生和NADPH活性来抑制血管新生［32］。

4 展望

作为细胞之间信息传递的新途径，微囊泡参与了多种生命活动的病理生理进程。目前人们对微囊泡在生理和病理情况下作用机制地认识还不够全面，如微囊泡内具体的生物活性成分、调节微囊泡内生物活性分子聚集、释放的刺激因素或分子路径以及微囊泡表面配基的选择特异性结合等问题有待于更多的研究来阐明。微囊泡在优化干细胞扩增、促进组织再生方面有重要的应用前景。随着对微囊泡基础和临床研究的深入，有望通过微囊泡特有的作用方式解释疾病的发生，并通过改变微囊泡和优化微囊泡产生以达到诊断和治疗疾病的目的。移植后的干细胞在组织损伤的微环境下释放微囊泡，并和其他旁分泌因子共同促进组织修复。尽管微囊泡体积远远小于细胞体积，但由于其含有丰富的生物活性分子，而有可能成为替代干细胞修复损伤的物质。由于它是一个相对较新的生物体，对于其用于组织再生的安全性和有效性有待于更多的研究来评估［33］。为了避免完整的干细胞移植后异常分化而发生恶性肿瘤的风险，单独植入干细胞来源的微囊泡是否可以达到损伤修复的目的。如何获得干细胞来源的微囊泡，成功捕获干细胞来源的微囊泡也是一大研究挑战。微囊泡捕获后以何种途径植入组织损伤处，是否能在组织受损处发挥修复作用，其修复能力究竟有多大等，一系列的问题需要更多的研究来探索及证实。微囊泡不再被认为是细胞碎片或垃圾，而是在组织再生领域发挥着越来越重要的作用。

［1］Conde-Vancells J，Rodriguez-Suarez E，Embade N，et al.Characterization and comprehensive proteome profiling of exosomes secreted by hepatocytes［J］.J Proteome Res，2008，7(12)：5157-5166.

［2］Théry C，Ostrowski M，Segura E.Membrane vesicles as conveyors of immune responses［J］.Nat Rev Immunol，2009，9(8)：581-593.

［3］Cocucci E，Racchetti G，Meldolesi J.Shedding microvesicles：artefacts no more［J］.Trends Cell Biol，2009，19(2)：43-51.

［4］Lai RC，Arslan F，Lee MM，et al.Exosome secreted by MSC reduces myocardial ischemia/reperfusion injury［J］.Stem Cell Res，2010，4(3)：214-222.

［5］Sahoo S，Klychko E，Thorne T，et al.Exosomes from human CD34+stem cells mediate their proangiogenic paracrine activity［J］.Circ Res，2011，109(7)：724-728.

［6］Wolf P.The nature and signifiance of platelet products in human plasma［J］.Br J Haematol，1967，13(3)：269-288.

［7］Freyssinet JM.Cellular microparticles：what are they bad or good for?［J］.J Thromb Haemost，2003，1(7)：1655-1662.

［8］Jimenez JJ，Jy W，Mauro LM，et al.Endothelial cells release phenotypically and quantitatively distinct microparticles in activation and apoptosis［J］.Thromb Res，2003，109(4)：175-180.

［9］Deregibus MC，Cantaluppi V，Calogero R，et al.Endothelial progenitor cell derived microvesicles activate an angiogenic program in endothelial cells by a horizontal transfer of mRNA［J］.Blood，2007，110(7)：2440-2448.

［10］Aliotta JM，Sanchez-Guijo FM，Dooner GJ，et al.Alteration of marrow cell gene expression，protein production，and engraftment into lung by lung-derived microvesicles：a novel mechanism for phenotype modulation［J］.Stem Cells，2007，25(9)：2245-2256.

［11］Deregibus MC，Tetta C，Camussi G.The dynamic stem cell microenvironment is orchestrated by microvesicle-mediated transfer of genetic information［J］.Histol Histopathol，2010，25(3)：397-404.

［12］Quesenberry PJ，Aliotta JM.The paradoxical dynamism of marrow stem cells：considerations of stem cells，niches，and microvesicles［J］.Stem Cell Rev，2008，4(3)：137-147.

［13］Colvin GA，Lambert JF，Moore BE，et al.Intrinsic hematopoietic stem cell/progenitor plasticity：inversions［J］.J Cell Physiol，2004，199(1)：20-31.

［14］Quesenberry P，Abedi M，Dooner M，et al.The marrow cell continuum：stochastic determinism［J］.Folia Histochem Cytobiol，2005，43(4)：187-190.

［15］Ratajczak J，Wysoczynski M，Hayek F，et al.Membrane-derived microvesicles：important and underappreciated mediators of cell-tocell communication［J］.Leukemia，2006，20(9)：1487-1495.

［16］Ratajczak J，Miekus K，Kucia M，et al.Embryonic stem cell-derived microvesicles reprogram hematopoietic progenitors：evidence for horizontal transfer of mRNA and protein delivery［J］.Leukemia，2006，20(5)：847-856.

［17］Dooner MS，Aliotta JM，Pimentel J，et al.Conversion potential of marrow cells into lung cells fluctuates with cytokine-induced cell cycle［J］.Stem Cells Dev，2008，17(2)：207-219.

［18］Bruno S，Grange C，Deregibus MC，et al.Mesenchymal stem cellderived microvesicles protect against acute tubular injury［J］.J Am Soc Nephrol，2009，20(5)：1053-1067.

［19］Chen J，Park HC，Addabbo F，et al.Kidney-derived mesenchymal stem cells contribute to vasculogenesis，angiogenesis and endothelial repair［J］.Kidney Int，2008，74(7)：879-889.

［20］Wollert KC，Drexler H.Mesenchymal stem cells for myocardial infarction：promises and pitfalls［J］.Circulation，2005，112(2)：151-153.

［21］Fiegel HC，Lange C，Kneser U，et al.Fetal and adult liver stem cells for liver regeneration and tissue engineering［J］.J Cell Mol Med，2006，10(3)：577-587.

［22］Caplan AI，Dennis JE.Mesenchymal stem cells as trophic mediators［J］.J Cell Biochem，2006，98(5)：1076-1084.

［23］Bi B，Schmitt R，Israilova M，et al.Stromal cells protect against acute tubular injury via an endocrine effect［J］.J Am Soc Nephrol，2007，18(9)：2486-2496.

［24］Gnecchi M，Zhang Z，Ni A，et al.Paracrine mechanisms in adult stem cell signaling and therapy［J］.Circ Res，2008，103(11)：1204-1219.

［25］Collino F，Deregibus MC，Bruno S，et al.Microvesicles derived from adult human bone marrow and tissue specific mesenchymal stem cells shuttle selected pattern of miRNAs［J］.PLoS One，2010，5(7)：e11803.

［26］Martinez MC，Andriantsitohaina R.Microparticles in angiogenesis：therapeutic potential［J］.Circ Res，2011，109(1)：110-119.

［27］Soleti R，Benameur T，Porro C，et al.Microparticles harboring sonic hedgehog promote angiogenesis through the upregulation of adhesion proteins and proangiogenic factors［J］.Carcinogenesis，2009，30(4)：580-588.

［28］Zernecke A，Bidzhekov K，Noels H，et al.Delivery of microRNA-126 by apoptotic bodies induces CXCL12-dependent vascular protection［J］.Sci Signal，2009，2(100)：ra81.

［29］Benameur T，Tual-Chalot S，Andriantsitohaina R，et al.PPARalpha is essential for microparticle-induced differentiation of mouse bone marrow-derived endothelial progenitor cells and angiogenesis［J］.PLoS One，2010，5(8)：e12392.

［30］Janowska-Wieczorek A，Majka M，Kijowski J，et al.Platelet-derived microparticles bind to hematopoietic stem/progenitor cells and enhance their engraftment［J］.Blood，2001，98(10)：3143-3149.

［31］Yang C，Gagnon C，Hou X，et al.Low density lipoprotein receptor mediates anti-VEGF effect of lymphocyte T-derived microparticles in Lewis lung carcinoma cells［J］.Cancer Biol Ther，2010，10(5)：448-456.

［32］Yang C，Mwaikambo BR，Zhu T，et al.Lymphocytic microparticles inhibit angiogenesis by stimulating oxidative stress and negatively regulating VEGF-induced pathways［J］.Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol，2008，294(2)：R467-R476.

［33］Lai RC，Chen TS，Lim SK.Mesenchymal stem cell exosome：a novel stem cell-based therapy for cardiovascular disease［J］.Regen Med，2011，6(4)：481-492.

Research Advances of Microvesicles in Tissue Regeneration

WANG Xi-mei，YANG Yue-jin，WU Yongjian.(Coronary Heart Disease Diagnosis and Treatment Center，Fuwai Hospital and Cardiovascular Institute，Peking Union Medical College and Chinese Academy of Medical Sciences，Beijing100037，China)

Microvesicles as a newly discovered intracellular signal transduction molecular have been paid to more and more attention.It comes from cell membrane containing lipids and proteins similar to mother cell membrane.And microvesicles which participate in a number of diseases can contact mother cell with target cells by mediating the ligand-receptor reaction or transfering cytoplasmic components and organelles.Studies in recent years found that microvesicles play an important biological role in tissue regeneration.Here is to make a review on its biological characteristics，modes of action and roles in tissue regeneration.

Microvesicles;Tissue regeneration;Stem cells

R54

A

1006-2084(2012)13-1993-04

2011-12-18

2012-02-19 编辑：伊姗