外泌体相关微RNA在急性心肌梗死中的研究进展

作者:林蓓佑[1] 李平[1] 
单位:广西玉林市第一人民医院[1]

  现心血管疾病已经超过癌症成为威胁人类健康的最主要的疾病。急性心肌梗死时急性冠状动脉闭塞,伴随心肌细胞的缺血缺氧、细胞凋亡坏死、炎症反应、缺血/再灌注损伤,最终导致心肌重构、心脏功能下降。由于心肌坏死,心肌重构,心脏功能不可逆的损害,虽然经过临床上常规的药物治疗和冠状动脉介入治疗和冠状动脉旁路移植术等治疗后,仍有相当比例的患者治疗效果不好。有研究表明,干细胞能增殖分化为心肌细胞,替代梗死的心肌细胞,改善患者的心脏功能。而外泌体在其中发挥重要的调节作用。外泌体微RNA(micro RNA,miRNA)广泛参与急性心肌梗死的发生、发展,其在急性心肌梗死中的研究才刚刚起步。外泌体是直径为30~100nm的双层脂质膜囊泡,外泌体的双层脂质膜能够提供良好的保护,使得外泌体miRNA在各种体液中保持良好的稳定性。作为一种可远距离传递信息的载体,外泌体广泛参与调控细胞活动,在多种生理、病理过程中发挥重要作用。外泌体能反映出特定的生理、病理状态,为疾病的诊断治疗提供潜在的有效方式。作为一个研究的新热点,外泌体在精准医学发展上有着光明的前景。现就循环中外泌体相关miRNA的一般特点及在急性心肌梗死的诊断、治疗中的进展予以综述。


1 外泌体的一般特点


  细胞内的内涵体可通过向细胞腔内发芽而形成多囊泡体,多囊泡体与细胞膜融合后,将其腔内的多个囊泡释放到细胞外基质中,形成外泌体(图1)。

  外泌体的内含物有蛋白质、信使RNA(messengerRNA,mRNA)、miRNA和长链非编码RNA(longnoncodingRNA,IncRNA)等大分子物质;它们能通过与靶细胞结合而实现蛋白、mRNA、miRNA和lncRNA的转移。在特定的生理、病理状态下,细胞会将与之相应的蛋白以及遗传物质装载入外泌体中。细胞中miRNA表达水平低,而在外泌体中却可有很高的表达量,外泌体的miRNA是经过“特意选择”的。


  外泌体与靶细胞的作用方式主要有以下几种:①通过外泌体表面的配体与靶细胞表面的受体结合从而激活或抑制靶细胞的信号通路;②传递母细胞的蛋白质、脂质、mRNA、miRNA等物质至靶细胞,改变其原有的生物学功能或特征;③将母细胞的受体转移并结合到靶细胞膜上,使其具有母细胞相同的受体表型;④作为载体转移致病因子或细胞器。有研究发现,外泌体将功能完整的细胞器如线粒体及其DNA传递给受损心肌细胞,起到改善、修复心肌的作用。


2 外泌体相关的miRNA


  miRNA是一种内源性的高度保守的非编码小分子RNA单链,长度为20~25nt,它由发夹结构前体加工而来,在细胞核内由RNA聚合酶Ⅱ转录,初产物前体miRNA为具有帽子结构和多聚腺苷酸尾巴;成熟的miRNA由具有发夹结构的前体转录产物经Dicer酶加工而来。miRNA基因存在于基因组的基因间隔区、外显子区或者基因的内含子中。


  miRNA能与靶mRNA的3´非编码区互补结合,抑制或降解mRNA,从而实现基因调控功能。目前认为外周循环中的miRNA一部分以蛋白转运复合物的形式存在,而另一部分以更加稳定的外泌体形式存在;更有学者提出大部分以循环中外泌体蛋白复合物结合的形式而存在,这些已经组装好的外泌体中miRNA复合物可与mRNA结合直接发挥作用。


  研究者在MC/9型肥大细胞系分泌的外泌体中检测出了1300多种mRNA和120种miRNA;理论上一个外泌体能携带超过500个miRNA。miRNA广泛参与分化、细胞增殖、凋亡及细胞周期调控,其主要通过指导效应复合物RISC抑制或降解靶基因,从而抑制其表达而发挥重要的生物学作用。大量动物实验研究表明,外泌体miRNA在心血管疾病的病理、生理、发生、发展过程中起着重要的作用,如心肌肥大、心肌纤维化、心律失常及心肌梗死等。


3 外泌体相关的miRNA对急性心肌梗死的诊断、治疗作用及作用机制


  3.1 基本概述随着精准医学概念的提出,越来越多的人开始关注疾病的精确诊断和治疗。外泌体技术迅速发展,能有效地分离出各类体液中的外泌体。从外周循环获取的外泌体,能反映某个器官所处的特定状态。外泌体一个显著的特点是充当介导信号传递的载体,基于这个原理,在外泌体诊断、治疗心肌梗死方面,研究者展开了多项研究,如检测心肌梗死模型的循环外泌体相关miRNA的差异表达,具有诊断价值。监测外泌体特异性物质的动态演变,观察疾病发展及治疗效果,可用于药物的开发、检测临床疗效、基因治疗的载体。外泌体由于具有保护作用的脂质双层膜结构,且能靶向特定细胞或组织,因此可以作为靶向给药系统。用来源于干细胞的外泌体治疗心肌梗死模型,减少了梗死面积,改善心脏功能。外泌体可作为载体,将外源导入的小干扰RNA,转移到单核细胞和淋巴细胞内,达到对目的基因的沉默。


  外泌体miRNA诊断治疗的基本机制是介导细胞之间的信息传递。外泌体介导细胞之间的远距离信息传递,其机制尚不明确,目前比较公认的看法是外泌体上的特异性配体与受体细胞膜结合后,外泌体囊泡膜溶解,通过胞饮方式将其内含的特异性蛋白及RNA进入靶细胞。此外,还可通过独特的内吞作用将外泌体内化,转移蛋白质、mRNA及miRNA,完成信息传递,进而诱导受体细胞发生相应的生理改变。


  心肌梗死发作后,特异性的循环外泌体miRNA显著增加。有研究发现,用缺氧诱导因子和心脏祖细胞(cardiac progenitor cell,CPC)处理后的心肌细胞能释放高表达缺氧诱导因子的外泌体,该外泌体被梗死区植入的CPC摄取,CPC中的miR-210和miR-126的水平显著增加,继而心脏功能得到改善。这表明外泌体携带miRNA,介导了细胞之间的远距离的信息传递。有研究发现心肌特异性的miR-1和miR-133a在心肌梗死患者的血清中明显增多,而在培养的H9C2心肌细胞分泌的外泌体中发现了这些miRNA。这些实验表明,外泌体介导远距离传递生物信息,向受体细胞传送蛋白质和遗传信息。


  3.2 外泌体相关miRNA对急性心肌梗死的诊断作用心肌组织分泌释放特异性的miRNA的,并通过外泌体途径释放入循环中,到达靶器官发挥广泛的调节作用。越来越多的证据表明,心肌源性miRNA可用于急性心肌梗死的诊断。急性心肌梗死患者早期相关miRNA基因芯片及聚合酶链反应检测均证实miR-208、miR-494、miR-499、miR-1303表达上调,部分miRNA下调,提示心肌细胞特异性miRNA可能成为诊断心肌梗死的新型标志物。有学者发现,急性心肌梗死大鼠循环外泌体miR-1显著升高,且尿液外泌体相关的miR-1也出现显著上升。还有学者通过对急性心肌梗死患者血清测序发现,hsa-miR-451b、hsa-miR-451a、hsa-miR-486-1、hsa-miR-486-2、hsa-miR-486-5p、hsa-miR-486-3p表达量较多;相比健康对照组,急性心肌梗死组患者血清外泌体miR-146b-5p表达水平显著升高。有研究表明,与p53基因相关的miR-34a、miR-92、miR-194在急性心肌梗死的外周循环中显著增高,同时,循环外泌体miR-194、miR-34a增高;提示相关的外泌体miRNA来源于心肌梗死的心肌细胞,成为心肌梗死潜在的诊断标志物。综上所述,外泌体相关的心肌源性miRNA作为一种无创的生物学标志物,有潜在的诊断价值。


  3.3 外泌体miRNA对心肌梗死的治疗作用外泌体介导心肌细胞间的信息传递这一作用对心血管系统有重要影响。外泌体内含的生物活性物质作用于靶细胞,启动信号转导,还可通过传递的遗传物质改变靶细胞的遗传表型。外泌体在心肌梗死的治疗作用表现有以下几种:抗凋亡、血管生成、抗炎、减轻缺血/再灌注损伤及抗心肌重构等。


  3.3.1 抗凋亡作用细胞凋亡指为维持内环境稳定,由基因控制的细胞自主的有序的死亡。细胞凋亡是多基因严格控制的过程,外泌体与靶细胞结合后,调控信号转导通路,调控细胞凋亡。有研究发现,来源于人骨髓间充质干细胞(mesenchymal stemc ells,MSC)的外泌体通过腺苷酸激活蛋白激酶/蛋白激酶B信号通路,起到抗凋亡、减轻缺血/再灌注损伤作用,该研究通过将大鼠H9C2心肌细胞暴露于H2O2,发现由MSC来源的外泌体在其中起到减少细胞凋亡、增强自噬的作用,进一步分析发现通过腺苷酸激活蛋白激酶/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白和蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白途径增强自噬,从而显著减少了凋亡和心肌梗死面积,改善心脏功能。有研究发现,来源于MSC的外泌体中富含miR-22,通过作用于目标细胞中的甲基化CpG结合蛋白,起到抗凋亡作用,同时miR-221通过抑制p53因子,也起到抗细胞凋亡作用。


  3.3.2 抗炎和缺血/再灌注损伤急性心肌梗死后出现缺血/再灌注损伤,其中炎症反应起重要作用,伴随的炎症标志物(如白细胞)增加,影响心肌梗死后心脏功能变化、心肌梗死恢复。Arslan等注射外泌体干预缺血/再灌注的小鼠心肌梗死模型后发现,巨噬细胞、中性粒细胞局部浸润明显比对照组少,且外周白细胞也明显减少,结果表明外泌体干预心肌梗死再灌注可减轻炎症反应,从而改善心脏功能。研究发现,神经突起趋向因子1(neurite tendency factor 1,Netrin-1)能增强内皮祖细胞功能、增强抗炎、促进血管内皮化和血管再生,Netrin-1修饰的小直径人工血管在30d后实现内皮化并在14个月时保持通畅。Netrin-1对巨噬细胞进行重编程以呈现抗炎表型,并随时间推移炎性部位的巨噬细胞的浸润和随后的外排,从而改善局部微环境和早期内皮祖细胞归巢。促进炎症的及时消退对于诱导小直径组织工程血管的内皮化以及预防早期血栓形成、解决与慢性炎症相关的问题是必要的。有学者将在缺氧培养24h的小鼠骨髓MSC,提取外泌体,心内注射入C57BL/6心肌梗死模型小鼠的心脏。该研究中,缺氧环境下,MSC及其分泌的外泌体中的miR-210、中性鞘磷脂酶2活性显著增加,起到改善心肌梗死模型小鼠恢复的作用。De Couto等输注心源性细胞(cardiosphere-derived cells,CDCs)到急性心肌梗死模型的大鼠和猪的冠状动脉内,结果显示,CDCs内富集了几种miRNA(包括miR-146a、miR-181b和miR-126)。miR-181b从CDCs到巨噬细胞的外源转移降低蛋白激酶Cδ(protein kinase C δ,PKCδ)转录水平,PKCδ抑制后的巨噬细胞的过继转移为急性心肌梗死心脏提供了保护作用。该研究表明,携带有特定miRNA的外泌体进入巨噬细胞,减轻急性心肌梗死心肌细胞的缺血/再灌注损伤。


  3.3.3 血管生成作用间充质干细胞来源的外泌体可促进血管内皮增殖、迁移,促进新生血管形成。胚胎干细胞来源的外泌体可通过向CPC传递miR-294,提高心肌梗死后新生血管的形成、促进心肌细胞存活及降低心脏纤维化。有研究发现,急性心肌梗死后骨髓单核细胞分泌的外泌体miR-150的表达减少,而有诱导骨髓干细胞迁移归巢到受损心肌细胞处作用的趋化因子受体4蛋白表达增加,结果提示,心包含有miR-150的外泌体在起到调控急性心肌梗死病程发展、改善心脏功能的作用。


  有研究发现,向急性心肌梗死小鼠注射胚胎干细胞来源的含有miR-22的外泌体,从而下调甲基化CpG结合蛋白2,刺激血管生成、减小梗死面积、改善心脏功能。Hu等发现,来自人脐带血的外泌体,通过miR-21-3p介导的促血管生成作用、促进成纤维细胞增殖及迁移,从而加速皮肤切口愈合。将人脐血血浆外泌体移植到小鼠创伤的皮肤后,小鼠表皮新生加强、瘢痕宽度缩小、血管新生增强。人脐血浆外泌体中出现高度富集的miR-21-3p,成为人脐血浆外泌体诱导的调节作用的关键因子。


  3.3.4 抗心肌重构心肌梗死后出现代偿反应,如心肌肥厚、心肌纤维化等,严重者可发展成心力衰竭。Luo等研究发现,在急性心肌梗死发生后,来源于人MSC的外泌体能够通过激活信号通路、减轻缺血/再灌注损伤、促进血管生成等作用来增强心肌活力,延缓了心脏重构;该研究将MSC的分泌物质包裹到微粒中,然后用MSC的细胞膜包被,实现人造MSC,再将人造MSC直接注射到小鼠急性心肌梗死模型,结果发现起到了促进血管生成、改善心肌细胞功能以及减轻左心室重塑的作用。而人造MSC在体外和体内均表现出良好的冷冻保存和冻干稳定性,展现了良好的应用前景。Gallet等发现,将心脏球来源的细胞外泌体注入急性心肌梗死中的猪模型的冠状动脉,与对照组比较,注入CDC外泌体后猪的心肌细胞功能得到改善,不利的心肌重构减少。


4 展望


  外泌体在急性心肌梗死诊断中有潜在的应用价值,能起到减少细胞凋亡、抗炎、减轻缺血/再灌注损伤、增强血管再生及抗心肌重构的作用,体现出广泛的应用前景。这得益于外泌体的以下生物学特性:①特异性:特定的生理、病理状态下分泌的外泌体包含有特定的脂质、蛋白质和遗传物质成分,通过这些特定的内含物向靶细胞传递信号;②靶向性:因含有特异的受体,外泌体可靶向作用到特定的靶细胞;③运输性:外泌体的一个显著特点是作为载体向靶细胞传递信息;④稳定性:外泌体的双层脂质膜比较稳定;研究表明,外泌体包裹的miRNA在4℃下储存96h或在-70℃下储存1个月后,仍保持高度的生物学稳定性。


  虽然外泌体的研究已经取得一定进展,外泌体相关miRNA在急性心肌梗死中的诊疗体现出了良好前景,但是,目前外泌体相关miRNA的研究在心血管研究领域仍处于起步阶段,外泌体内含物的具体作用、其介导信号信息传递的分子通路如何发挥作用等,仍有待进一步了解;而如何提取这些内含物并作为载体人工传递到靶细胞,如何实践应用于临床仍是重大挑战,有待于进一步的研究。


    2019/8/7 16:41:41     访问数:772
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