间充质干细胞源外泌体在神经系统疾病中的研究进展

李苏亚，奚广军，李在望，张剑平

间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）是一类具有多向分化潜能、免疫调控、组织损伤修复、神经保护等多种功能的多能干细胞，近来被广泛应用于神经、心血管等多系统疾病的治疗研究中[1]。研究发现，MSCs可以保护神经元，促进神经细胞轴突生长，有效改善受损的神经系统功能。外泌体是几乎所有细胞均可分泌的一种脂质双分子层膜囊泡，能够远距离传递源自母细胞的生物信息，影响靶细胞和组织的病理生理过程。研究表明外泌体很可能是MSCs 在神经系统疾病中发挥治疗作用的关键[1,2]。

1 MSCs源外泌体概述

外泌体是一群直径为40～100 nm 的外分泌囊泡，广泛存于体内几乎所有细胞及血液、尿液、脑脊液等多种体液中[3]。其腔内充满各种细胞蛋白、核酸（mRNA、miRNA等）、脂质和可溶性因子，可直接与靶细胞的质膜融合，也可以被靶细胞内吞，进而将信息传递给邻近细胞及远端组织，并调节生物体内病理、生理过程，如神经元通信、抗原呈递、免疫反应、器官发育和生殖过程等[4,5]。

MSCs是在临床实践中应用于免疫调节和缺血组织修复的几种干细胞之一。研究发现，在急性心肌梗死的小鼠模型中，直接注射人造MSCs 可促进血管生成并减轻左心室重塑[6]；在癫痫持续状态的大鼠模型中，尾静脉注入MSCs 可抑制癫痫的发生并维持认知功能[7]。而MSCs分泌的外泌体，具备与母体干细胞相似的生物学功能。研究证实，MSCs源外泌体能够降低炎性因子干扰素-γ（interferon-γ，IFN-γ）和肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α的表达以减轻炎症反应[8]；也可在特殊干预后有效降低阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）患者脑中β淀粉蛋白（amyloid β，Aβ）的水平[9]。而其脂质双分子层结构可以保护内含物免受降解酶或化学物质的侵蚀，并可有效通过血脑屏障实现高效治疗[10]。受此启发，越来越多的研究注重于MSCs源外泌体在疾病治疗方面的潜在功能。

2 MSCs源外泌体在神经系统疾病中的应用

2.1 阿尔茨海默病（AD）

AD 是以进行性认知功能障碍和行为损害为特征的中枢神经系统退行性病变，是老年期最常见的痴呆类型，目前尚未开发出能有效逆转病程的药物。AD 的主要病因之一是脑中Aβ的聚集。Aβ是由淀粉样前体蛋白经β-和γ-分泌酶的蛋白水解作用而产生[11]。利用该点，研究人员通过基因修饰MSCs，使其分泌富含治疗因子的外泌体（例如可靶向作用β-和γ-分泌酶的SiRNA），进而降低脑内Aβ的水平[9]。此外，既往实验发现对MSCs进行缺氧预处理可以增强其抗凋亡能力，并促进它的增殖和神经分化[12]。在此基础上，Cui等[13]将经过低氧预处理的MSCs源外泌体通过尾静脉注入AD模型小鼠体内，发现这些外泌体能够有效地减少小鼠脑内Aβ的积累、增加突触蛋白的表达，下调炎性因子TNF-α和白细胞介素（interleukin，IL）-1b的水平，同时上调抗炎因子IL-4和IL-10的表达，进而改善小鼠的学习和记忆功能。考虑到全身给药后MSCs源外泌体在脑中的含量十分有限，Cui等[14]在最新的研究中利用中枢神经系统特异性狂犬病病毒糖蛋白（rabies virus glycoprotein，RVG）修饰MSCs 源外泌体（RVG 可与乙酰胆碱受体特异性地相互作用，靶向作用于神经细胞[15]），发现RVG标记的MSCs源外泌体在静脉给药后对大脑皮质和海马显示出更好的靶向性，可明显降低颅内Aβ水平。由此看来，MSCs 源外泌体能够针对AD的主要病理机制起到有效的治疗作用。

2.2 脑梗死

脑梗死是指因脑部血液循环障碍，缺血、缺氧所致的局限性脑组织的缺血性坏死或软化。一般来说，恢复最快、预后较好的治疗方法是在疾病早期进行溶栓或取栓术以及时恢复血流。但很多病例并不能在溶栓时间窗内得到有效治疗。Xin H 等[16]建立大脑中动脉闭塞型（middle cerebral artery occlusion，MCAO）脑梗死大鼠模型，并用MSCs源外泌体进行干预，发现与对照组相比，MSCs源外泌体可显著促进MCAO 大鼠神经血管的重塑和功能恢复。进一步探讨其中机制发现MSCs 可以通过外泌体转移microRNA 133b（miR-133b）来调节神经轴突的生长。已有研究证实，miR-133b 在神经元的分化和神经细胞轴突的生长中发挥着重要作用[17]。研究者们通过分析对比正常大鼠脑和MCAO 大鼠同侧脑的总RNA 发现：MCAO 大鼠同侧大脑miR-133b 显著降低。将MCAO大鼠的脑组织放入含有MSCs的培养基中培养，72 h后发现MCAO大鼠的脑组织中miR-133b显著升高，且升高的miR-133b来源于MSCs分泌的外泌体[18]。此外，该团队通过质粒转染MSCs 使之分泌富含miR-17-92 的外泌体（miR-17-92 可通过调节抑癌基因PTEN的表达来促进神经元的轴突生长[19]），对比发现干预后的MSCs源外泌体治疗作用明显加强[20]。以上研究表明，MSCs源外泌体具有治疗脑卒中的潜力，而通过对外泌体的进一步干预修饰，治疗作用可显著增强。

2.3 创伤性脑损伤

创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）是导致中青年人群残疾和死亡的重要原因，其发病机制主要是原发性和继发性损伤导致的暂时或永久性的神经功能缺损。原发性损伤破坏血脑屏障，损伤神经元和胶质细胞，引起局部炎症，造成继发性损伤[21]。由于原发性损伤往往不可逆，TBI 的治疗主要针对继发性损伤展开。Kota 等[8]在向TBI 大鼠模型注射MSCs 后观察到大鼠脑内促炎因子IFN-γ和TNF-α的表达量减少了50%，同时血脑屏障通透性显著降低。Ni等[22]最新的研究显示MSCs源外泌体可分别通过下调诱导型一氧化氮合酶和上调CD206、精氨酸酶-1 的水平，抑制促炎细胞因子TNF-α和IL-1β的表达，增加抗凋亡的B 细胞性淋巴瘤-2（BCL-2）的表达，调节免疫反应。有实验进一步比较了MSCs和MSCs源外泌体对TBI的治疗效果，发现与能分泌等量外泌体的MSCs 相比，直接注射MSCs 源外泌体的抗炎效果更佳，可能原因在于MSCs 静脉注射后大部分进入了肺部[23]。这一发现提示MSCs衍生的外泌体免疫原性较低，更具稳定性、高效性，可替代全细胞治疗TBI。

2.4 胶质母细胞瘤

胶质母细胞瘤（glioblastoma，GBM）是最常见的中枢神经系统恶性肿瘤，目前的治疗方案非常有限，患者的中位生存期仅15 个月。研究发现，GBM 通过释放一些趋化因子和生长因子（包括血管内皮生长因子VEGF、促炎因子IL-8、血小板衍生生长因子PDGF-BB 和神经营养因子NT-3 等）介导MSCs 对GBM的趋向性，进而MSCs可以作为药物载体定向作用于GBM甚至是发挥免疫调节作用，有效改变GBM的免疫微环境[24,25]。Amir等[26]筛选出miR-4731 作为肿瘤抑制因子，特异性修饰MSCs 后将其与GBM 癌细胞共培养，发现miR-4731-MSCs 可诱导癌细胞凋亡。Malte 等[27]则基因修饰MSCs，使其高表达促炎细胞因子IL-12 和IL-7，诱导GBM 小鼠模型产生高效的抗肿瘤T 细胞应答，提高了实验鼠的免疫力并延长了总生存期。但也有大量的证据表明，在肿瘤微环境中，MSCs可通过外泌体与癌细胞相互作用，分泌大量细胞因子和生长因子，促进癌细胞的存活、生长、转移扩散和免疫逃逸[28,29]。Pavon LF 等[29]将标记后的MSCs通过尾静脉注射到GBM 模型鼠体内，发现其能够跨越血脑屏障并迁移到肿瘤区域，而MSCs浸润肿瘤后，又可通过外泌体释放细胞因子TGFB1刺激GBM细胞增殖（TGFB1是一种转化生长因子，能够促进肿瘤细胞的增殖和迁移[30]）。另外，除了考虑到MSCs与GBM 之间的联系，GBM细胞本身的间质化，也是GBM难治性的重要原因之一。有报道称，GBM的难治性部分归因于具有治疗抗性的胶质瘤干细胞（glioma stem cells，GSCs）。其不仅与GBM 的形成和进展有关，也增强了GBM 对常规化疗和放射性治疗的耐药性[31]。来自MD 安德森癌症中心的研究团队发现[32]，GBM 中存在有类似于MSCs 的基质细胞，即胶质瘤相关的MSCs（GA-hMSCs）。在体内外实验中，GA-hMSCs 通过分泌IL-6促进GSCs的增殖和自我更新，增强GSCs的致瘤性和间质特性[33]。此外，GA-hMSCs 分泌的外泌体中含有大量的miR-1587，可下调GSCs 中抑癌因子NCOR1 的表达，显著增加了GSCs的增殖和克隆形成能力[32,34]。未来的治疗方案，通过基因修饰等方法，GA-hMSCs也可作为一种新的治疗靶点。

3 结语与展望

截至目前，国内外大量研究结果证实，MSCs源外泌体在神经系统疾病的治疗方面有着广阔的应用前景。MSCs源外泌体能够减轻炎症反应，促进神经损伤的修复以及功能的重建，并且与MSCs 本身相比，外泌体的安全性更高、性质更稳定、作用更具靶向性，在疾病治疗方面有着更大的潜力。未来我们需要深入探讨MSCs 源外泌体调节神经系统疾病的免疫反应、促进神经轴突生长的具体机制，排除可能存在的负面作用，对MSCs源外泌体进行更精准的干预，以提高治疗的安全性、高效性，进而早日实现有效的临床应用。