脂肪干细胞源性外泌体的应用进展

陈自强，米日班·买买提明，李红建

脂肪干细胞（adipose-derived stem cells，ADSCs）是间充质干细胞的主要来源之一，其被认为是干细胞治疗和再生医学领域的最有潜力的工具。ADSCs可分化为外胚层、中胚层和内胚层三个谱系的细胞［1］，可通过释放外泌体、miRNA、长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）、生长因子等成分来调节细胞微环境，其具有抗凋亡、抗炎、促进血管生成、调节免疫功能、抗瘢痕形成等作用［2-3］。ADSCs向细胞外分泌的小囊泡——脂肪干细胞源性外泌体（adiposederived stem cells-derived exosomes，ADSCs-Exos）可以运输多种细胞成分并与靶细胞融合，介导局部和系统性的细胞间通讯，从而调节受体细胞生物学行为［4］。此外，ADSCs-Exos还在许多疾病中显示出较高的诊断价值和治疗潜力，特别是在肿瘤、COVID-19和再生医学方面发挥了关键作用［5-6］。本文主要综述了ADSCs-Exos在伤口愈合、肥胖、糖尿病、COVID-19、肿瘤、神经退行性疾病及心血管疾病中的应用进展。

1 外泌体的生物学结构及功能

1981年，外泌体首次被揭示［7］；1987年，JOHNSTONE等［8］注意到绵羊网织红细胞分泌的小囊泡（直径为30～150 nm），并为其取名为“外泌体”。外泌体的产生过程涉及质膜的双重内陷和含有腔内囊泡的细胞内多泡体的形成，腔内囊泡最终通过质膜损伤和细胞内多泡体的胞吐作用以外泌体的形式分泌［4］。近年随着研究深入，研究者发现外泌体几乎是所有细胞可分泌的膜状细胞外囊泡，其由脂质双层膜保护以免被酶降解，其被递送至靶细胞，可携带其来源细胞的重要信息和大分子，这些大分子由多种蛋白质、酶、转录因子、脂质、细胞外基质蛋白、受体和核酸组成，可以在外泌体的内部和外部被发现［4，9］。研究发现，几乎所有体液中均可以检测到外泌体［10-11］。外泌体由供体细胞释放到细胞外环境中以执行多种生物学功能，包括细胞内通讯及亲本细胞与周围细胞之间的遗传物质交换、蛋白质交换［12］。此外，一些外泌体数据库，如ExoCarta［13］、Vesiclepedia［14］和EVpedia［15］还提供了有关外泌体成分（包括蛋白质、脂质和核酸）的详细信息及外泌体分离方法。

2 ADSCs-Exos的应用进展

2.1 ADSCs-Exos在伤口愈合中的应用 伤口愈合是一个复杂的生物学过程，其常发生于因外伤、烧伤或糖尿病溃疡受伤后的皮肤组织中。慢性病患者皮肤伤口较难愈合，如糖尿病或长期卧床患者；因此，伤口愈合仍是临床医生棘手的问题之一［16］。目前，伤口愈合存在的主要问题是皮肤愈合延迟和瘢痕增生，而ADSCs-Exos被证实可以解决上述问题［17］。研究显示，ADSCs-Exos通过过表达乙二醛酶1可以保护2型糖尿病下肢缺血小鼠内皮细胞并促进其血管生成，改善其血液循环，故ADSCs-Exos可能成为糖尿病下肢缺血的一种新的治疗方法［18］。研究显示，ADSCs-Exos进入细胞后可释放活性物质并促进成纤维细胞迁移、增殖和胶原合成，从而加速软组织的伤口愈合［19］。近期研究发现，ADSCs-Exos可促进人皮肤成纤维细胞的增殖和迁移，并上调lncRNA MALAT1的表达，而lncRNA MALAT1在不同类型疾病中与内皮细胞迁移和血管生成有关，其可通过调节miR-378a/成纤维细胞生长因子2（fibroblast growth factor 2，FGF2）轴而加速伤口愈合［20］。瘢痕增生是伤口愈合后皮肤和软组织的形态学和组织病理学的改变，可影响美观和器官功能。MARTIN［21］研究发现，对小鼠切口模型静脉注射ADSCs-Exos可缩小其瘢痕面积，增加胶原蛋白Ⅲ与胶原蛋白Ⅰ的比例，并调节成纤维细胞分化和基因表达。此外，LI等［17］实验表明，ADSCs-Exos减少了胶原蛋白的沉积、纤维细胞的转分化且通过调节miR-192-5p/IL-17RA/Smad轴而减少肥胖性瘢痕的形成。

综上，在伤口愈合过程中，ADSCs-Exos可调控免疫反应和炎症，促进血管生成，加速组织细胞增殖并抑制瘢痕增生过程中的胶原蛋白重塑。

2.2 ADSCs-Exos在肥胖中的应用 肥胖是一种与脂肪组织过度积累有关的慢性病，被认为是胰岛素抵抗、炎症、高血压、心血管疾病和代谢紊乱的危险因素［22］。研究表明，脂肪组织衍生的外泌体不仅在旁分泌和内分泌模式下发挥作用，而且还可以充当细胞间的通讯器，以促进脂肪细胞的成熟［23］。研究发现，ADSCs-Exos可减少γ干扰素（gamma interferon，IFN-γ）的分泌，抑制T淋巴细胞活化，从而减轻脂肪炎症和免疫反应；此外，ADSCs-Exos还可以主导M2型巨噬细胞极化，使其表达高水平的酪氨酸羟化酶，进而释放儿茶酚胺，促进白色脂肪组织（white adipose tissue，WAT）特异性解偶联蛋白1的表达，重塑WAT中的免疫稳态以应对高脂肪的挑战［24-25］。既往研究表明，当脂肪组织来源的外泌体和ADSCs-Exos分别与ADSCs共培养时，只有脂肪组织来源的外泌体可以诱导脂肪生成，而ADSCs-Exos不能诱导脂肪生成［26-27］，但其具体分子机制仍不清楚。

综上，将ADSCs-Exos用于控制肥胖具有一定潜力，但目前关于肥胖与ADSCs-Exos的相关研究较少，仍需要更多研究进一步探究。

2.3 ADSCs-Exos在糖尿病中的应用 WHO相关数据显示，预计到2035年，糖尿病患者人数将达到5.92亿［28］。糖尿病是一组代谢紊乱性疾病，其病理特征是胰岛素产生不足或受体细胞对胰岛素反应不佳而导致的长期高血糖状态［29］。既往研究发现，ADSCs-Exos可维持肥胖小鼠代谢稳态，包括增加胰岛素敏感性、减少肥胖、减轻肝脂肪变性，从而为肥胖和糖尿病提供一种潜在的治疗方法［24］。但有研究发现，正常小鼠棕色脂肪细胞衍生的外泌体在被肝脏吸收后可减轻小鼠的全身胰岛素抵抗［30］。近年有研究发现，1型糖尿病患者ADSCs-Exos体积大于正常人、数量少于正常人，但目前研究尚不清楚ADSCs-Exos变化如何影响1型糖尿病的病理生理学变化［31］。此外，有研究还发现ADSCs-Exos可通过改善神经血管功能、抑制炎症因子表达、传递circRNA和诱导巨噬细胞极化而对糖尿病大鼠模型的伤口愈合及勃起功能障碍产生积极作用［32-33］。

2.4 ADSCs-Exos在COVID-19中的应用 间充质干细胞具有强大的再生和免疫调节作用，其被提议作为COVID-19的治疗选择。众所周知，ADSCs可增殖并分化成各种细胞以修复受损或死亡的细胞，同时也可以通过自分泌和旁分泌途径来激活细胞再生和愈合的过程，而在此过程中ADSCs-Exos发挥了重要的生物学功能［34］。大量研究证实，ADSCs-Exos在促进细胞增殖、减轻炎症和氧化应激及调节免疫功能等方面具有一定作用［35-38］。外泌体可增加中性粒细胞的数量和活力，同时减少嗜酸粒细胞生成，表明外泌体在感染和免疫缺陷病中具有潜在的治疗作用［39］。此外，ADSCs-Exos含有一组miRNA，包括miRNA-100-5p、miRNA-451a和miRNA-126-3p，其被认为具有免疫抑制和抗炎作用［38，40-41］。

上述研究的发现为ADSCs-Exos作为免疫调节药物提供了依据；同时，外泌体具有迁移至靶器官而不被肺捕获的优势，故可以将抑制病毒在宿主细胞中复制和传播的药物或生物调节剂加载到外泌体上，并通过气溶胶吸入方式治疗疾病［42］。目前，许多针对ADSCs-Exos治疗COVID-19的机制研究和临床试验正在开展［42-43］。虽然ADSCs-Exos治疗COVID-19的作用机制和效果尚不清楚，但将其作为COVID-19的治疗方案仍值得期待。

2.5 ADSCs-Exos在肿瘤中的应用 ADSCs在部分肿瘤的发生发展过程中发挥着关键作用，如乳腺癌和恶性黑色素瘤。研究显示，ADSCs可促进乳腺癌和恶性黑色素瘤中癌细胞的迁移、血管生成和内皮-间充质转化［44-45］。ADSCs-Exos在乳腺癌中的表现与ADSCs相似，可促进乳腺癌细胞的迁移和增殖，且可以上调一些与肿瘤发展相关的信号通路的活性，其中上调Wnt信号通路活性的效果比较明显［46］。同样，有研究者在骨肉瘤大鼠模型中观察到ADSCs-Exos可通过增加半乳糖基转移酶2的表达而促进骨肉瘤细胞的侵袭、迁移和增殖［47］。但也有学者在另一项肝细胞癌大鼠模型中观察到，ADSCs-Exos对肿瘤发生具有抑制作用［48］。此外，SEO等［49］研究亦表明，由ADSCs-Exos释放的miR-503-3pf可抑制肿瘤生长，调节肿瘤干细胞增殖和自我更新，降低多能性基因的表达能力。

综上，目前ADSCs-Exos的潜在促癌或抗癌作用的具体机制尚有待阐明。而近期研究多集中在将ADSCs-Exos作为miRNA和药物转移的递送载体方面［50］。

2.6 ADSCs-Exos在神经退行性疾病中的应用 神经退行性疾病是严重影响患者日常生活的慢性病，包括帕金森病、阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化症和亨廷顿病。上述疾病有一个共同特点，即退行性不可逆，且无有效的药物或治疗方法可以完全缓解其症状。目前研究证实，ADSCs-Exos在神经保护和神经再生中起关键作用［51］。前期研究表明，ADSCs-Exos可降低阿尔茨海默病小鼠模型β淀粉样蛋白（amyloid-beta peptide，Aβ）水平和神经元Aβ42/Aβ40比值，增加细胞存活率，降低细胞死亡率、神经元凋亡率，同时还能促进神经干细胞的神经突生长［52］。近期阿尔茨海默病小鼠模型实验表明，含有circRNA-Epc1的ADSCs-Exos可减轻神经元损伤、将海马中M1型小胶质细胞转化为M2型小胶质细胞，进而导致炎性细胞因子表达减少及海马神经元凋亡减少，这在一定程度上减轻了阿尔茨海默病诱导的认知障碍［53］。上述研究表明，ADSCs-Exos在阿尔茨海默病中具有潜在的治疗作用。肌萎缩侧索硬化症是一种破坏性神经系统疾病，由大脑、脑干和脊髓的运动神经元选择性死亡引起，其病理学特征是超氧化物歧化酶1（superoxide dismutase 1，SOD-1）的激活和聚集。LEE等［54］研究发现，ADSCs-Exos可以调节肌萎缩侧索硬化症的细胞表型，包括SOD-1聚集和线粒体功能障碍，其可能成为肌萎缩侧索硬化症的治疗选择。ADSCs-Exos可以减轻亨廷顿病体外模型中突变亨廷顿蛋白的聚集及线粒体功能障碍，减少细胞凋亡，调节亨廷顿病的临床表型，从而达到治疗疾病的目的［55］。此外，在包括坐骨神经损伤和海绵状神经损伤在内的周围神经损伤模型中，ADSCs-Exos可以有效缓解其正常神经解剖结构的扭曲、平滑肌萎缩和减少胶原蛋白沉积，同时促进其神经元轴突再生［56-57］。

上述研究表明，ADSCs-Exos作为一种非细胞疗法在神经退行性疾病中具有一定治疗作用。

2.7 ADSCs-Exos在心血管疾病中的应用 既往研究表明，通过抑制Wnt/β-catenin信号通路可部分中和ADSCs-Exos诱导的H9c2细胞的凋亡，提示ADSCs-Exos可能通过激活Wnt/βcatenin信号通路而保护缺血心肌免受缺血/再灌注损伤［58］。此外，ADSCs-Exos对心肌梗死后的损伤心肌具有明显的保护作用［59］。DENG等［60］研究表明，ADSCs-Exos可逆转心肌梗死诱导的1-磷酸鞘氨醇（sphingosine-1-phosphate，S1P）、鞘氨醇激酶1（sphingosine kinase 1，SK1）和1-磷酸鞘氨醇受体1（sphingosine-1-phosphate receptor 1，S1PR1）的下调，可部分缓解心肌梗死引起的心脏功能降低和心脏结构改变；此外，ADSCs-Exos还可以抑制心肌梗死诱导的M1型巨噬细胞标志物IL-1、IL-6、TNF-α、IFN-γ的表达，并促进M2型巨噬细胞标志物Arg1、Ym1、转化生长因子β1（transforming growth factor beta 1，TGF-β1）等的表达，进而抑制心肌纤维化并发挥抗炎作用。

综上，ADSCs-Exos可能通过减轻心肌缺血/再灌注损伤和心肌纤维化、抗炎作用而对心肌具有保护作用，故其有望为心血管疾病的治疗提供新的思路。

3 小结与展望

综上所述，ADSCs-Exos在伤口愈合、肥胖、糖尿病、COVID-19、神经退行性疾病及心血管疾病中具有一定治疗潜力；此外，其还可以作为潜在的药物递送载体或无细胞疫苗，为难治性疾病提供替代治疗策略。但目前ADSCs-Exos在疾病中的应用效果仍处于早期研究阶段，其确切机制仍不清楚，且有许多问题仍待解决，如ADSCs-Exos长期治疗效果、治疗剂量及安全性均有待更多的高质量研究进一步证实。

作者贡献：陈自强进行文章的构思与设计，撰写、修订论文；陈自强、李红建进行文章的可行性分析；陈自强、米日班·买买提明进行文献/资料收集、整理；李红建负责文章的质量控制及审校，并对文章整体负责、监督管理。

本文无利益冲突。