肠道微生物来源细胞外囊泡在炎症性肠病中作用的研究进展

周厚法，孙琦，马颖才

1 青海大学研究生院，西宁 810000；2 青海省人民医院消化内科

炎症性肠病（IBD）是胃肠道的一种慢性自身免疫性炎症性疾病，主要包括溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD）［1］。IBD 在西方国家较为常见，在中国曾被认为是罕见病。但近年来随着饮食习惯改变和生活方式转变，我国IBD 的发病率逐年上升，并且发病人群趋向年轻化［2］。IBD 的发病机制非常复杂，除了与遗传因素和免疫微环境有关外，还与肠道微生物密切相关［3］。细胞外囊泡（EVs）是一种由细胞释放至细胞外基质的膜性小囊泡，是细胞间通信的重要介质，对肠道内环境稳定至关重要［4］。肠道微生物来源的EVs 可在调节肠上皮屏障功能和免疫细胞募集中发挥重要作用，能够参与IBD 肠黏膜损伤修复及功能调节［5］。本文结合文献就肠道微生物来源EVs 在IBD 中作用的研究进展作一综述。

1 EVs概述

1.1 EVs 分类 EVs 是一种由细胞释放至细胞外基质的膜性小囊泡，是细胞间通信的重要介质。根据EVs的生物发生、大小和生物物理性质，大致分为外泌体、微泡、凋亡小体三类。外泌体是直径30～150 nm、具有磷脂双分子层结构的EVs。外泌体被认为几乎存在于所有活细胞中，还可从血液、尿液、脑脊液等体液中分离出来。微泡是直径50～1 000 nm、由磷脂双分子层包围的膜结构，主要通过钙调节途径从血浆中产生，具有促凝血功能［6］。凋亡小体是细胞骨架断裂时在起泡和细胞碎片分解过程中形成的，直径1～5 μm。有研究认为，凋亡小体可参与自身免疫性疾病、癌变、感染等病理生理过程［7］。以上分类是基于真核生物系统，不包括细菌释放的膜囊泡（MVs）。然而，MVs脱落在细菌中普遍存在，本文将其纳入EVs。MVs 最初被发现起源于革兰阴性菌外膜，通常被称为外膜囊泡（OMV）。最近研究发现，革兰阳性菌亦可产生MVs。根据MVs 的结构和组成差异分为OMV、革兰阴性菌的外-内膜囊泡（OIMV）和革兰阳性菌的胞质膜囊泡（CMV）［4］。OMV 是由革兰阴性菌外膜的脂多糖外层和磷脂内层组成的球形颗粒，富含特定的脂质和外膜蛋白；OIMV 是细菌DNA 的主要载体，而CMV 源于泡沫细胞死亡和细菌自溶素。

1.2 EVs 组成及其生理功能 尽管EVs 的组成取决于生物发生途径、细胞类型和生理条件，但几乎所有EVs都包含蛋白质、脂类、核苷酸和代谢产物等。

蛋白质是EVs 的重要组成部分，如外泌体标志性跨膜蛋白CD63、CD81、CD9，这些蛋白可靶向特定细胞，如内皮细胞，能够促进血管生成。而在肠道微生物来源的EVs中发现了热休克蛋白，包括HSP70、HSP90 及主要组织相容性复合物，可参与抗原处理和抗原提呈［8］。EVs 中携带的核苷酸主要有DNA、rRNA、tRNA、mRNA 和sRNA，这些核苷酸可干扰宿主基因转录，抑制蛋白质合成［9］。EVs 中的RNA 进入细胞质可直接影响靶细胞内相关基因的表达。EVs中的sRNA 通过转录、翻译或mRNA 加工可削弱或增强靶细胞内相关RNA 的表达［10］。EVs 中的脂质可作为药物载体发挥作用。OMV 中糖脂和糖蛋白能够改变细胞组成并具有将生物活性分子引入细胞内的潜力［11］。

EVs通过向靶细胞传递效应因子来调控宿主细胞，从而促进肠道菌群与宿主细胞的相互作用。致病菌中的毒力因子、毒素和免疫调节效应物能够帮助细菌侵入宿主细胞，扰乱宿主免疫防御机制，从而获得免疫逃逸［10］。而在共生菌中，EVs 作为细菌介质，可改善免疫系统并维持内环境稳定［12］。

2 肠道微生物与IBD的关系

迄今为止，IBD 的病因和发病机制尚不明确。普遍认为，肠道微环境失调是IBD 发病的重要机制之一。目前已发现的230 余个IBD 易感基因中，大多数与肠黏膜屏障功能异常有关［13］，表明微生物群改变可能是引起肠道慢性炎症的关键。有研究发现，IBD 患者肠道微生物群存在多样性和丰度改变［14］。肠道微生物来源的EVs 是宿主-细菌相互作用的重要调节因子，但其在IBD 发病机制中作用的重要性却被忽视了。随着微生物群变化，IBD 患者肠道微生物来源的EVs 组成也发生了改变，如变形杆菌的EVs 丰度增加、厚壁菌的EVs 丰度降低［15］。因此，深入研究IBD 肠道微生物来源的EVs特征，将为IBD诊断和治疗提供新的思路。

3 EVs在IBD发生、发展中的作用

EVs 是微生物与肠上皮细胞（IECs）、内皮细胞和免疫细胞通信的重要介质［16］，不仅参与肠上皮屏障功能维持，还是免疫系统的重要调节剂。IBD 的发病机制与肠黏膜屏障功能障碍、免疫学异常和肠道细胞代谢紊乱密切相关，而肠道微生物来源的EVs 可通过维持肠上皮屏障完整性、调控免疫反应和细胞代谢，参与IBD的发生、发展。

3.1 维持肠上皮屏障完整性 肠上皮屏障完整性是肠道抵抗各种毒素和病原体的关键。IECs 作为肠上皮屏障的重要组成部分，主要受免疫细胞、肠道微生物和EVs中核苷酸的影响。IBD 患者IECs被破坏，可导致肠上皮屏障完整性丧失。肠道微生物可通过抑制肠上皮炎症反应、加强紧密连接，促进肠上皮屏障完整性恢复，从而缓解IBD。

由于肠道微生物具有多样性，肠道微生物来源的EVs作用各不相同。拟杆菌来源的EVs可保护酶免受胃肠道蛋白酶降解，促进细胞内Ca2+信号传递，从而维持消化系统的生理功能［17］。大肠杆菌来源的EVs 能够诱导IECs 释放促炎症细胞因子IL-6，而嗜黏蛋白阿克曼菌来源的EVs则抑制这一过程［18］。另外，一些益生菌分泌的MVs 有助于增强肠上皮屏障功能和维持紧密连接结构，如大肠杆菌菌株Nissle1917（EcN）可通过激活NOD1信号通路和调节紧密连接蛋白表达，增强IBD 患者肠上皮屏障功能。此外，EcN 衍生的OMV 被证实具有抗炎、增强肠上皮屏障功能和缓解UC 的作用［19］。因此，作为肠上皮屏障功能的调节因子，肠道微生物来源的EVs 在维持IBD肠上皮屏障完整性方面发挥了重要作用。

3.2 调控免疫反应 肠道微生物来源的EVs 可通过直接或间接激活免疫细胞受体，调节宿主免疫反应。EVs 可激活IECs 促进免疫细胞IL-6、IL-8、IL-10、TNF-α 表达［20］。脆弱拟杆菌的OMV 可通过Toll 样受体2 与树突状细胞（DCs）相互作用，诱导产生IL-10的调节性T 细胞分化，抑制三硝基苯磺酸诱导的结肠炎［21］。而肠道致病菌则可利用OMV 实现入侵。源于空肠弯曲菌的OMV 是细菌性食源性胃肠炎的主要致病原因，可通过E-cadherin 和闭合蛋白裂解增加细菌黏附与侵袭。霍乱弧菌是霍乱的主要毒力因子，可分泌具有霍乱毒素的OMV，OMV 可通过IECs 上的霍乱毒素受体内化，并以NOD1 依赖的方式激活MAPK 和NF-κB 信号通路，从而导致促炎症细胞因子增多［22］。因此，肠道微生物来源的EVs在肠道稳态和IBD发病机制中具有重要作用。

3.3 调控细胞代谢 肠道微生物来源的EVs 还可调控肠道细胞代谢，如参与肠道细胞能量需求的短链脂肪酸和各种酶代谢。脆弱芽孢杆菌作为肠道益生菌，其衍生的MVs 中含有多种酶，可促进肠道多糖消化［23］。细菌MVs 中有很多代谢物可在宿主-细菌相互作用中发挥重要作用。多形拟杆菌可通过上调转运蛋白NPC1L1 来介导肠道胆固醇吸收［23］。而携带毒素的病原体MVs 则可诱导肠道炎症反应，破坏肠上皮屏障完整性。

4 EVs在IBD诊断与治疗中的应用

4.1 EVs 在IBD 诊断中的应用 作为临床诊断的生物标志物，EVs的靶向性较高，其提供的生物学信息非常丰富。有研究发现，CD147 阳性的结直肠癌（CRC）患者EVs 水平显著升高，并认为EVs 是诊断CRC 的敏感生物标志物；该研究还发现，CRC 患者外泌体miR-19a 表达显著升高，并可作为预测CRC复发的生物标志物［24］，而CRC 与IBD 密切相关，IBD患者罹患CRC 的风险显著增加。有研究报道，降低miR-214 表达可缓解小鼠结肠炎症和降低结肠炎相关癌变的发生风险，从外泌体中分离的miRNA 已被证实比其他生物标志物更稳定、更可靠［25］。这些研究提示EVs具有监测IBD 癌变进展的潜力。除了结肠镜检查外，现有的生物标志物都无法单独准确诊断IBD。临床上缺乏一种能够单独并准确诊断IBD的特异性生物标志物［26］，故建立一个基于EVs 的IBD 诊断系统是非常有必要的。有研究发现，在IECs衍生的EVs中ANXA1表达增加、从唾液中分离的外泌体PSMA7 过表达，二者有可能成为IBD 临床诊断的特异性标志物［27］。但目前缺乏有效的EVs纯化技术，这严重制约了其临床应用。

4.2 EVs在IBD治疗中的应用 EVs在疾病治疗中具有独特优势，其治疗途径主要分为四类：①利用EVs 诱导免疫抑制或免疫刺激作用，包括抗菌、抗炎、抗肿瘤作用或利用EVs 作为间充质干细胞移植的替代方案；②利用生物工程技术将EVs 作为输送药物的纳米载体，将特定的核苷酸、蛋白质或药物制剂运送至靶细胞或组织；③利用EVs 诱导组织再生和组织修复；④利用EVs 作为治疗肿瘤或感染的新型疫苗。

间充质干细胞来源的EVs（MSCs-EVs）已被证实可用于治疗炎症性疾病，包括IBD。MSCs-EVs 治疗IBD 的主要机制是减少结肠巨噬细胞浸润、降低炎症细胞因子水平和抑制NF-κB 信号通路，尤其是在肠道炎症暴露后［28］。肠道免疫系统异常是IBD 的重要发病原因。因此，免疫细胞来源的EVs 可作为IBD 治疗的靶点。如由DCs 衍生的EVs 可通过免疫刺激或免疫抑制作用缓解IBD 进展。近年来，EVs作为药物载体的潜力备受关注。在IBD 中，各种有效的蛋白质、RNA 和小分子药物可直接或间接地包装在来自IECs、人胚胎肾细胞和免疫细胞的EVs中，然后被肠道吸收［29］。IBD 患者较健康人更易感染艰难梭菌［30］，传统抗菌药物在感染部位很难达到有效杀菌浓度，需多次给药才能维持有效的杀菌浓度，不仅增加了全身毒性，还会使肠道稳态进一步被破坏，而负载抗生素的OMV 可高效杀死细菌，并且不会导致全身性传播。结合对MVs 的靶向修饰，负载抗生素的MVs对单一菌株的杀伤力显著提高［31］。但EVs作为输送药物的纳米载体，其质量标准体系和修饰技术尚有待于进一步提升。MVs在诱导细胞免疫和黏膜免疫方面具有显著效果。目前，MVs 已研发出用于预防流感、冠状病毒、人类免疫缺陷病毒、人乳头瘤病毒等感染的疫苗［32］，而基于MVs 预防IBD 的疫苗尚未研制成功，但MVs 可作为潜在的免疫增强剂来增强机体免疫力，是一种易于实现的临床途径。

综上所述，IBD 的发病机制与肠黏膜屏障功能障碍、免疫学异常和肠道细胞代谢紊乱密切相关，而肠道微生物来源的EVs可通过维持肠上皮屏障完整性、调控免疫反应和细胞代谢，参与IBD 的发生、发展。尽管EVs 在IBD 诊断与治疗中具有独特优势，应用前景非常广阔，但其临床应用仍然任重道远。