心肌梗死后心肌细胞来源的外泌体对心脏的影响

张春祥，刘屿暢，李春红，余 烊

1.西南医科大学医学电生理学教育部重点实验室（泸州646000）；2.非编码核酸医学泸州市重点实验室（泸州646000）；3.西南医科大学药学院（泸州646000）；4.西南医科大学附属医院 心内科（泸州 646000）

心肌梗死（myocardial infarction，MI）被定义为由于长时间缺血缺氧导致的心肌细胞死亡，是冠状动脉疾病最严重的表现[1]。MI 早期，由于冠状动脉中的血液供应突然受阻，大量心肌细胞发生坏死，并引发强烈的炎症反应[2]。由于成人心脏缺乏内源性再生能力，心肌细胞的更新潜力有限，MI 的进一步进展会导致大量心肌细胞不可逆的丧失、左心室重构甚至进行性心力衰竭[3]。再灌注疗法是目前临床上对于急性心肌梗死的标准治疗方法[4]，但它可能导致心肌细胞功能障碍并加重组织损伤[5-6]。因此，要想降低MI 的病死率，就需要临床医生对于MI的病理生理机制有更深入的认识，同时尽快开发出减少心肌细胞死亡、促进心脏修复的新治疗策略。

外泌体是细胞外囊泡（extracellular vesicle，EV）的一个主要亚群，近年来受到医学领域研究者的广泛关注。研究发现，在心血管系统中，外泌体与内皮细胞、心肌细胞、免疫细胞、干细胞等多种类型的细胞相关，可通过信号传递参与促进血管生成、抑制心室重构、改善心脏功能、抑制局部炎症和调节免疫应答等生理过程[7-9]。了解心肌细胞对MI 的应答机制对于治疗方案的制定有着重要意义。因此，本文就近5 年有关MI 期间病理条件下心肌细胞来源的外泌体对于心脏影响的相关研究做一评述，并对心肌细胞来源的外泌体的作用机制进行讨论，以期为今后的研究提供借鉴与参考。

1 外泌体的特性

外泌体是由细胞通过胞吐作用分泌到细胞外空间的膜状细胞外囊泡，是细胞间和细胞外通讯的信使，也是参与旁分泌功能的关键载体，通常大小在30 到200 nm 之间[10-12]。它们可以由各种类型的细胞释放，如树突状细胞、肥大细胞、血小板以及间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC）[2]，并且可以在大多数体液中被发现，包括血浆、血清、唾液、羊水、母乳和尿液等[13]。外泌体负载了微RNA（miRNA）、长链非编码RNA（LncRNA）、蛋白质等多种生物货物，在众多生理过程中传递信息，发挥重要作用[14]。

2 心肌细胞来源的外泌体的作用机制

在MI期间的不利的缺血缺氧微环境中，心脏内的大多数细胞均会受到影响，包括心肌细胞、内皮细胞和巨噬细胞，都显示出发生凋亡[15]。尽管心肌细胞并不是典型的分泌细胞，但多项研究均证明，心肌细胞在健康和病理条件下都能够分泌外泌体，参与介导健康细胞和受损细胞之间的通讯[16-18]。心肌细胞来源的外泌体可以调节细胞增殖、迁移、分化、存活和血管生成等生理过程，在缺血性事件中发挥重要作用[19]。外泌体的负载物会受各种病理状态的影响，受影响的心肌细胞分泌的外泌体可以通过其携带的特定蛋白质、脂质和核酸反映其疾病状态，这使我们能够及时准确地掌握疾病的临床进展。从机制上来看，心肌细胞来源的外泌体主要是通过调节细胞因子、影响相关通路等方式对心脏产生影响（见表1）。

表1 心肌细胞来源的外泌体的有效成分及作用机制Table 1 Active components and mechanism of action of cardiomyocyte derived exosomes

2.1 加剧疾病进展

2.1.1 促进细胞死亡 心肌细胞来源的外泌体中含有许多不同种类的非编码RNA，尤其是miRNA，它们可以通过靶向不同的凋亡基因来达到调节细胞凋亡的效果。然而，梗死后的心肌细胞分泌的外泌体中部分旁分泌因子的含量增加，这些外泌体被细胞摄取后，可能会进一步加重心肌损伤。例如，Caspase是一组在程序性细胞死亡和炎症中起重要作用的半胱氨酸蛋白酶，可以选择性地切割某些蛋白质，从而造成细胞凋亡[28]。一项研究表明，梗死心肌细胞分泌的外泌体中的miR-328-3p 含量显著增加，该miRNA 可激活细胞内Caspase 的相关信号通路从而促进细胞凋亡[18]。梗死心肌细胞还能够通过直接传递外泌体到相邻的心肌细胞，促进其凋亡，进一步加重心肌梗死。类似的研究也证明，梗死心肌细胞外泌体中的miR-19a-3p富集，被内皮细胞吸收后可通过靶向缺氧诱导因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）的表达抑制内皮细胞的增殖和血管生成，并减弱MI后小鼠的心脏功能[20]。

缺氧是MI 后心肌细胞凋亡的重要因素之一[29]。低氧环境还可以激活转化生长因子β1（transforming growth factor β1，TGFβ1）及其下游信号通路，从而调节心脏成纤维细胞（cardiac fibroblasts，CFs）的增殖和凋亡[30]。LncRNA 也在外泌体中发挥重要作用。缺氧暴露上调了心肌细胞和外泌体中LncRNA AK139128 的表达，并且该LncRNA在体外和体内均促进了CFs的细胞凋亡并抑制细胞增殖，从而加剧MI 后的心肌损伤[21]。

2.1.2 加剧炎症 MI 后，心肌细胞的死亡会激活心肌组织的炎症反应，而这种炎症反应的严重程度和持续时间与心肌损伤的程度密切相关[2]。过度或过长的炎症会促进细胞外基质（extracellular matrix，ECM）降解，导致心室扩张性重塑[31]，因此及时抑制炎症反应是治疗中极为重要的一环。从炎症方面来看，MI后的心肌细胞分泌的外泌体对不同炎症细胞都具有调控作用。MI 会暂时增加心脏内EVs 的产生，表现为外泌体和微泡，主要来源于心肌细胞和内皮细胞。积聚在缺血性心肌中的EVs 被浸润的单核细胞迅速吸收后，单核细胞释放趋化因子和炎性细胞因子调节并促进局部炎症反应[32]。巨噬细胞在炎症的进展中起着至关重要的作用[33]。在MI 后早期，M1 巨噬细胞被招募到梗死心肌中，表现出强烈的吞噬活性[34]。在动态的MI 后环境中，多种细胞因子和基质细胞蛋白都能够调控巨噬细胞的表型变化[35-37]。MI 可导致心肌细胞发生铁死亡，而铁死亡的心肌细胞分泌的外泌体中由于miR-106b-3p 含量降低，导致Wnt 信号通路激活并促进心脏巨噬细胞M1极化，进一步加重心肌炎症[22]。

2.1.3 促进心脏纤维化 心肌细胞外泌体还能够影响心脏纤维化。心脏纤维化主要由活化的CFs 介导，是不利的心脏重塑，也是几种不同形式的心脏损伤的结果[38]。缺氧心肌细胞将含有miR-208a 的外泌体分泌到纤维化心脏中的CFs中，促进CFs增殖和肌成纤维细胞分化，促进心脏纤维化，使心脏功能进一步恶化[23]。

2.2 缓解心脏受损

缺血或缺氧状态下的心肌细胞分泌的外泌体能够一定程度地减弱心脏功能，甚至加剧心肌损伤，但也存在部分与之情况相反的研究。例如，一项研究证明，缺血性心肌细胞分泌的外泌体可以保护心肌免受氧化诱导的损伤，并通过促进内皮细胞的增殖和萌芽来刺激新生血管的形成，缺血性外泌体中含量相对最丰富的miRNA——例如miR-222 和miR-143 可以部分概括其血管生成作用[24]。类似研究也表明，源自缺氧诱导的心肌细胞外泌体中的circHIPK3 通过靶向抑制miR-29a 活性使血管内皮生长因子A（vascular endothelial growth factor A，VEGFA）表达增加，从而促进心脏内皮细胞的细胞周期进程，诱导细胞增殖、迁移和管形成[25]。

在炎症方面，MI进展到后期时，具有抗炎和修复心肌作用的M2巨噬细胞占据主导地位[39]。研究表明，缺氧心肌细胞外泌体可以调节巨噬细胞极化为M2 巨噬细胞，从而减轻缺氧诱导的心肌细胞损伤[26]。但该研究并没有识别和阐明缺氧心肌细胞外泌体介导巨噬细胞极化详细的机制，还需要进一步的研究。

除了对心脏内细胞的影响，心肌细胞来源的外泌体对于体内其他细胞的影响也值得探究。一项体外研究发现，心肌细胞来源外泌体还能够通过影响MSCs来修复受损心肌。CHEN等将缺血心肌细胞与MSC在体外共培养，发现来自缺血心肌细胞外泌体的LncRNA KLF3-AS1通过转录后调控正向介导STAT5B基因的表达，可诱导MSCs分泌胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factor-1，IGF-1）以挽救心肌损伤[27]。

总而言之，心肌细胞来源的外泌体具有加剧疾病进展和促进心肌修复的双重作用，不仅能够具体地反映MI对于心脏的影响机制，同时也为MI的治疗靶点和治疗性外泌体的来源提供了新的选择。因此在未来的研究中，对于缺血/缺氧心肌细胞分泌的外泌体中的旁分泌因子的靶细胞及其具体作用还应进行进一步的研究，根据具体机制创造出相应的治疗方法。

3 小结与启示

MI患者的循环外泌体中有部分LncRNA的表达显著升高，并且与心肌损伤标志物、预后炎症标志物等临床参数存在相关性[40]。从这个角度来看，心肌细胞来源的外泌体具有成为生物标志物的潜力，可能成为MI的监测、诊断和预后强有力的新工具[41]。

从治疗方面来看，干细胞疗法在心血管疾病中的有效性已得到证实[42-43]，而基于外泌体的无细胞治疗方法正在成为治疗心血管疾病的新焦点。虽然到目前为止，还没有正在进行的使用外泌体治疗MI患者的临床研究，但是多项临床前动物实验已经证明外泌体治疗在MI动物模型中具有改善心功能、减轻炎症反应以及减少细胞凋亡和自噬的潜力[44]。除了治疗作用，外泌体的低毒性、免疫原性、生物相容性等众多优势使其成为递送药物的有前途的天然载体，具有成为新一代纳米型药物载体的潜力[45]。我们相信外泌体有望在未来的临床上得到应用。

综合来看，接下来的研究不仅需要确定MI后心肌细胞来源的外泌体特定的分子货物及其产生效应的机制，进一步深化对MI 的病理生理特点的认识；同时应该针对外泌体的生物特性，从治疗效益、药物递送、生物标志物等多方面对其展开研究，为外泌体进入临床使用奠定基础。