外泌体在心肌梗死中的研究进展

安琪 杨建强 徐长庆 张力 综述 田野 审校

(哈尔滨医科大学病理生理学教研室，黑龙江 哈尔滨 150086)

心肌梗死是由于冠状动脉血栓形成导致的急性心肌缺血，其发病率高居不下。尽管现在急性心肌梗死后有急诊溶栓和介入等治疗方法，可以减轻最初的心肌损害，但并不能解决大量心肌细胞损失的问题，存活的患者仍然有极大的心肌重塑，从而发生心力衰竭的可能，因此还需要更为理想的方法来促进心肌修复，从而最大可能减轻后续的心室重构，以保证心脏功能。外泌体作为一种可以远近距离传递生物信息的载体，在心肌梗死后，通过诱导骨髓干细胞迁移，促进血管新生，起到了心肌保护作用。进一步研究外泌体在心肌修复中的确切机制，将有助于为临床治疗心肌梗死提供新的靶标。目前通过细胞移植来治疗心肌梗死的方法，确实能够减小心肌梗死面积，改善心脏功能，已经成为研究热点。实验证明移植细胞不仅代替了受损心肌，其所分泌的外泌体也起到了改善心脏功能的作用。现从外泌体的特性，心脏和干细胞分泌的外泌体在心肌梗死发病机制中的作用，外泌体在细胞移植治疗心肌梗死中的作用，以及研究展望几个方面进行综述。

1 心脏中的外泌体

1.1 外泌体的来源和特性

外泌体是由绝大多数细胞的内涵体形成胞芽和多囊泡小体与细胞膜融合后并释放到细胞外所形成的直径在30～100 nm 的微膜囊泡［1］。在血液、尿液、胆汁、唾液等生物体液中都可发现外泌体的存在［2］。外泌体中含有细胞特异性的蛋白质、mRNA 和微小核糖核酸(miRNA，miR)，并可以将这些物质传递作用到邻近或远距离的靶细胞，从而起到了细胞间的联络作用。

外泌体中含有的蛋白质主要有肌动蛋白、微管蛋白、膜连蛋白、信号转导蛋白、热休克蛋白(Hsp)。这些蛋白中有可以作为外泌体标志的蛋白，例如4 次跨膜蛋白超家族(CD9、CD10、CD53、CD63、CD81)［3］，参与多囊泡小体形成的蛋白(AliX 和TSG101)，以及细胞Hsp70 和Hsp90［4］。不同细胞来源的外泌体含有与其来源细胞相关的蛋白质，例如肠上皮细胞分泌的外泌体中含有代谢酶，免疫细胞分泌的外泌体含有与抗原结合和提呈相关的蛋白质，例如主要组织相容性复合物Ⅰ类及Ⅱ类分子［5］，成年心肌细胞分泌的外泌体中含有肌节蛋白、线粒体蛋白、肿瘤坏死因子-α 和Hsp20等［6-7］。外泌体中的蛋白组成还有赖于细胞所处的功能状态，当静息状态的细胞受到应激、刺激等时，其所分泌的外泌体中的蛋白质也会不同。因而外泌体的蛋白组成不仅反映了它的细胞来源，也反映了来源细胞所处的状态，可以作为某些疾病的诊断标志。

外泌体有独特的生物学特性，这些特性可概括为:(1)特异性:外泌体因细胞来源不同而具有不同的蛋白质组成和miRNA 等。(2)异质性:外泌体的体积、密度等物理特性使它们容易从细胞残片和小囊泡中被分离出来单独研究。(3)稳定性:外泌体的脂膜使它能够保存在冷冻条件下，并且在低渗情况下也不会被破膜，从而能够高效率的传递信息到其他细胞。(4)靶向性:外泌体有特殊的信号通道，例如，外泌体有特定的受体可以靶向到特定的细胞。(5)运输性:外泌体可以作为靶向药物的载体，并且很容易将其分离出来改变其中的RNA 和蛋白成分等。外泌体的这些生物特性为外泌体的体外研究、临床应用提供了可能。

1.2 心脏分泌外泌体的依据

体内和体外实验已证实正常的心肌组织会释放外泌体。瑞典分子心脏学实验室的Barile 等［8］第一次通过电镜在超微结构中发现了心肌祖细胞中外泌体的存在。成年心肌细胞通常不是分泌型细胞，但是Gupta 和Knowlton 发现了成年心肌细胞也可以通过外泌体释放细胞基质蛋白［9］。Waldenström 等［10］在心肌细胞系HL-1 中还发现了含有核酸的外泌体，这些外泌体作用于成纤维细胞后，释放的核酸可以改变成纤维细胞的基因表达。

2 外泌体在心肌梗死发病机制中的保护作用

外泌体可以介导近距离的信息传递，例如心脏中的不同细胞之间，也可以通过血液运输到远距离的细胞进行信息传递，例如心肌损害后诱导骨髓干细胞的迁移等［11］。

心肌梗死后，外周血中的miRNA 含量大量增加，其中有些miRNA 包含在心脏释放的外泌体中。例如，Kuwabara 等［12］发现肌性特异性miR-133a 和miR-1 在心肌梗死患者的血清中显著增多，进一步研究发现这些miRNA 的来源是心肌梗死区和心肌梗死周边区，并且在培养的H9C2 心肌细胞分泌的外泌体中发现了这些miRNA。Cheng 等还在急性心肌梗死患者的尿液和急性心肌梗死大鼠模型的血液中发现了包含有miR-1、miR-208 的外泌体［13］。这证明心脏分泌的外泌体既可以在心脏内调节心肌修复，也可以远距离的传递生物信息，具体的作用取决于外泌体所包含的蛋白质和遗传物质。例如，当外泌体中含有miR-126、miR-130 这些遗传物质时，可以起到促进血管新生的作用［14-15］。含有miR-1 的外泌体既可以促进血管新生，也可以诱导心肌祖细胞的迁移［16］。

心肌损害后会诱导心肌祖细胞和骨髓干细胞的迁移来补充损失的心肌细胞，进行心肌修复。实验证明外泌体参与了骨髓干细胞的迁移过程。例如，将心肌梗死后的心肌进行匀浆，这些组织匀浆中含有基质衍生因子-1(stromal-derived factor-1)、肝细胞生长因子(hepatocyte growth factor)、白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor)等，培养的骨髓间充质干细胞会明显的向这些心肌匀浆迁移［17］。有实验还表明急性心肌梗死后miR-150 在骨髓单核细胞的表达量下降，引起蛋白CXCR4 的表达量升高，从而增加了CXCR4 诱导骨髓干细胞迁移归巢到受损心肌处的作用。这提示心肌梗死后可以通过调控包含miR-150 的外泌体含量来增加这一迁移作用，从而改善心肌的修复［18］。

3 外泌体与细胞移植治疗心肌梗死

3.1 细胞移植治疗心肌梗死

如何将心肌梗死限制在急性修复阶段，替代损伤的心肌，促进新血管的生成，成为心肌梗死治疗的关键。传统的心肌梗死治疗方法，例如介入治疗、冠状动脉旁路搭桥术都是通过血管再通的方法使病情得到改善，并不能解决心肌损失的问题。细胞疗法将骨髓间充质干细胞、心肌祖细胞、CD34+细胞群等具有一定分化能力的细胞通过冠状动脉注射、心肌穿刺等方法注入到心肌中，这些细胞就可以替代损伤的心肌，甚至分化成为具有收缩功能的心肌细胞，已有临床实验证明了细胞疗法确实起到了减少梗死面积，促进血管新生，改善心脏功能的作用［19-20］。

心肌梗死时一般会丢失2×109个心肌细胞，然而细胞移植后保存在心脏中的细胞通常只有1×106个［21］。尽管细胞移植留在心脏中的细胞很少，在动物实验中细胞移植却可以减少29%的梗死面积，提高10%的射血分数，这说明注入的细胞除了替代受损心肌外，还通过其它方式起到了治疗作用［19］。Nguyen等［22］用骨髓间充质细胞分泌的富集后的具有生物活性的因子注射到梗死心脏，发现心肌细胞凋亡减少，氧化应激下降，心脏功能得到了改善。这证明移植细胞分泌的细胞因子、外泌体等也起到了改善心脏功能的作用。

3.2 外泌体在细胞移植治疗心肌梗死中的作用

移植到心脏的细胞所分泌的外泌体可以通过诱导细胞迁移到梗死区，促进血管生成，抑制过度炎症反应来促进心肌修复。在体外伤痕愈合实验中发现，心肌祖细胞释放的外泌体可以引起血管内皮细胞的迁移［23］。进一步研究发现外泌体含有大量细胞外基质金属蛋白酶诱导因子(extracellular matrix metalloproteinase inducer，EMMPRIN)，EMMPRIN 可以诱导相邻的细胞释放基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMP)［24］。同时发现外泌体本身中也含有MMP-9。大量的细胞外MMP 通过降解周围的细胞质基质，从而诱导细胞的迁移。在该实验中加入EMMPRIN 的抑制剂，外泌体的迁移作用明显被阻止［25］。

移植的干细胞还可以通过外泌体将miRNAs 释放到周围环境中。促进血管生成与细胞释放的含有miR-1、miR-126 的外泌体有关，miR-1 和miR-126 可以降低Spred1 蛋白的表达量。Spred1 蛋白是Sprouty 相关蛋白家族，在一些生长因子作用下发生酪氨酸磷酸化，通过影响丝裂原活化蛋白激酶通路而抑制血管再生。外泌体分泌的miR-1、miR-126 通过直接限制血管新生的负调节因子Spred1 的表达，起到了促进血管新生的作用［26］。外泌体释放的EMMPRIN 还可以诱导相邻的细胞释放血管内皮生长因子，也起到促进血管新生的作用［27］。

T 淋巴细胞从心肌缺血到心肌修复一直处在激活状态，实验证明移植细胞的外泌体存在的情况下，可以降低T 淋巴细胞受到白介素-2 和佛波酯刺激时的增生作用，从而减少了过度的免疫反应［28］。移植细胞外泌体对心肌梗死后短期炎症反应的作用，还有待进一步研究。

4 心肌梗死后的外泌体研究方向和前景

尽管在肿瘤、肝脏疾病中外泌体已有很多的研究，并且也取得了一定成果，但有关外泌体和心肌梗死的研究现在还寥寥无几。综上所述，外泌体在心肌梗死后的心肌修复中起到有效的保护作用，具有进一步研究的前景，因此就外泌体在心肌梗死后的信息传递及临床应用方面的深入和进一步的可能研究方向概括如下:(1)外泌体介导心脏中各种细胞间的信息传递。(2)心脏分泌的外泌体通过血液运输作用到远距离的骨髓干细胞，引导干细胞向心肌受损处转移，替代受损心肌。(3)干细胞分泌的外泌体通过血液作用到受损心肌，参与心肌修复。(4)外泌体在干细胞治疗中，参与了干细胞的旁分泌，起到了治疗作用。(5)外泌体作为治疗靶点，诱导干细胞向受损心肌处转运，补充受损心肌。(6)外泌体作为预测心肌梗死的生物标志物。(7)外泌体作为药物载体治疗心肌梗死。

通过就外泌体在心肌梗死中作用的综述，相信会为相关研究者提供一个总体概况。通过深入研究外泌体在心肌梗死后的作用机制和具体应用，将有助于全面了解心肌梗死后的心肌修复机制。可望通过分离外泌体或人工合成类外泌体，为临床的心肌梗死治疗提供新的方法和前景。

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