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外泌体在糖尿病心肌病中的作用的研究进展

2023-08-26 105 上传者：管理员

摘要：糖尿病性心肌病(DCM)是一种心肌特异性疾病，可增加心衰和死亡的风险。DCM的发病机制十分复杂，其确切发病机制仍未明确，目前研究发现外泌体携带的信号分子能介导细胞间的信息传递，在DCM的发生发展中起到一定的作用。本文就外泌体在DCM中的调节和功能作一综述，以期为DCM的临床认知和治疗提供新方向。

关键词：
和微血管功能障碍
外泌体
心力衰竭
生物学活动
糖尿病心肌病
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外泌体指大小在30～150nm的细胞外小泡[1](一种双层脂质膜结构),最初通过内陷形成腔内小泡。目前越来越多的研究发现，外泌体参与机体的多种生物学活动。在糖尿病的最初阶段，高血糖会导致内皮和微血管功能障碍[2]。据报道心肌血管生成失调是糖尿病心血管疾病的关键原因[3]。最近的研究表明，外泌体可以诱导对心肌细胞有害或有益的影响，取决于其所含的内容物[4]。有研究显示，由糖尿病心肌细胞(体内和体外模型)释放的外泌体携带有害成分，能够引发一系列心血管并发症，包括心室功能不全、心肌纤维化和心肌细胞凋亡[4]。“糖尿病心肌病”是一种以心室功能不全为表现的心脏疾病[5],其发病机制十分复杂，其确切发病机制仍未明确，目前发现外泌体携带的信号分子能介导细胞间的信息传递，在糖尿病性心肌病(DCM)的发生发展中起到一定的作用。本文将探究外泌体生成、分泌、作用有关的机制，希望为DCM的治疗提供新方向。

1、DCM

1972年，Rubler等首次发现DCM,是通过对确诊为心力衰竭且无其他心血管并发症的糖尿病患者死后进行心脏解剖观察到的，这些观察结果被认为是心肌本身的特殊损伤[1]。目前将“糖尿病心肌病”定义为糖尿病患者在没有冠状动脉粥样硬化和高血压的情况下发生心室功能不全的临床症状[5]。

DCM的早期特征是心脏舒张功能异常，随后在没有血脂异常、高血压和冠心病的情况下出现临床心力衰竭。虽然慢性系统性高血压和血管动脉粥样硬化等共病因素有助于糖尿病患者心血管疾病的发生，但胰岛素抵抗和高血糖是DCM发生发展的基础与核心[6]。与同龄非糖尿病患者相比，男性和女性糖尿病患者的心力衰竭风险分别增加2倍和5倍，由于缺乏糖尿病不同人群的大量数据结果，DCM的发病率尚不清楚。文献报道2型糖尿病(T2DM)患者舒张功能障碍的患病率较高(40%～60%)[7]。DCM的潜在分子机制尚不清楚，包括多因素和复杂的病理生理过程，包括氧化应激、神经激素激活、炎症、钙稳态受损、线粒体损伤、心肌细胞凋亡和自噬[8]。

2、外泌体

最初通过内陷形成腔内小泡。随着研究的深入，外泌体的生理功能及其在疾病进展中的作用得到了重视[9],越来越多的证据表明，外泌体通过携带不同的分子，包括脂质、mRNA、微小RNA(miRNA,miR)、膜结合蛋白和其他调节性RNA等，使细胞间无接触式物质交换成为可能，在自分泌、内分泌、近分泌、旁分泌或远端通讯模式中充当信号小泡[10]。外泌体参与了病毒感染、免疫应答、哺乳动物发育和生殖等多种生物学过程[11]。外泌体不仅在人体生理和体内平衡中发挥重要作用，还包括DCM在内的人类疾病的发病机制中发挥着重要作用[12,13]。因此，外泌体被认为是治疗DCM的一种有前景的方法。

3、外泌体与DCM

3.1糖尿病心肌细胞释放的外泌体诱导有害作用

研究者通过神经酰胺酶抑制剂阻断体内心肌细胞外泌体的释放，发现糖尿病心肌细胞释放的外泌体能引起疾病信号的扩散[14],例如邻近的内皮细胞接收到这种疾病信号会导致血管生成功能受损，促进DCM的发展[13]。同样的研究也证实了这点，在链脲佐菌素(Streptozotocin, STZ)诱导的1型DCM模型中，GW4869作为一种阻断心脏细胞外泌体在体内释放的抑制剂，保护了心脏功能和血管内皮细胞生成[13]。除1型糖尿病外，成年Goto Kakizaki(GK)大鼠(一种常用的T2DM动物模型)心肌细胞释放的外泌体也通过抑制内皮细胞增殖、迁移和管状体形成，进而造成血管生成受损。来自糖尿病心肌细胞的外泌体被转移到内皮细胞，导致miR-320上调和E26转录因子2(IGF)-1、热休克蛋白(HSP)20及胰岛素样生长因子(Ets2)的下调[15]。因此，这些观察结果为，从糖尿病心肌细胞分离的外泌体通过转移有害因子来减少糖尿病心肌的血管生成，这些有害因子能够诱导、放大和传递抗血管生成效应的下游级联作用到心脏内皮细胞[15]。

Garcia NA等最近发现，收缩性心肌细胞衍生的外泌体可以调节葡萄糖进入心脏内皮细胞的转运。同样的研究报告显示，在低血糖状态下，心肌细胞产生大量富含葡萄糖转运体和参与糖代谢的酶的外泌体，导致在缺糖条件下心脏内皮细胞的葡萄糖摄取和糖酵解速率增加[16]。

哺乳动物不育系20样激酶(Mammalian sterile 20-like kinase 1,Mst1)是一种参与调节器官大小、细胞凋亡和自噬Hippo途径中的关键蛋白质，外泌体Mst1从心肌微血管内皮细胞向心肌细胞的转移可加重DCM。从HU J等[17]的研究可知，使用内皮细胞特异性Mst1的转基因糖尿病小鼠与非转基因糖尿病小鼠相比，内皮特异性Mst1转基因小鼠(Tg-Mst1EC小鼠)的心脏功能更差，胰岛素抵抗加重[17]。Mst1蛋白含量的增多，可抑制心肌细胞的自噬，增强细胞凋亡，促进DCM的发展。

除了心脏功能受损和血管形成外，糖尿病心肌细胞释放的外泌体对胚胎发育也有损害作用。Shi R等的研究表明，糖尿病孕鼠心脏血液中释放的外泌体导致系统性和严重的发育缺陷，特别是增加了先天性心脏病的风险。利用标记的外泌体和纳米金颗粒组合，在胎儿和胎盘中发现了外泌体的存在，证实了其可以穿过母胎屏障。更重要的是，来自糖尿病妊娠小鼠的外泌体通过尾静脉注射给正常妊娠小鼠，导致胚胎畸形发生率升高[18]。

3.2某些外泌体可以逆转DCM中的有害介质

最近有研究表明，外泌体的负载量可以通过基因转染直接介导，也可以在亲代细胞中间接修饰，从而将有害的外泌体转化为有益的外泌体[19]。

肿瘤易感基因(Tumor susceptibility gene, Tsg)101是内质膜上调控转运的上游蛋白及整合蛋白，参与外泌体的生物发生、运输、分类和分泌途径。Hsp20是一种重要的伴侣蛋白，参与多种病理刺激的细胞防御机制。Hsp20通过与Tsg101相互作用促进心肌细胞外泌体的产生[13,20]。研究发现Hsp20可与Tsg101通过协同作用来改变心肌细胞外泌体的组成和数量，将有害的外泌体转化为有益的外泌体[20]。

正如Wang等的一项研究所证明的，Hsp20对小鼠心脏的急性和慢性高血糖都有反应，这表明Hsp20的降低作用于DCM的不同发展阶段。有趣的是，糖尿病心肌细胞释放的有害外泌体可以在心脏特异性Hsp20过度表达的转基因小鼠中转化为保护性外泌体，从而在高血糖条件下恢复心脏功能。心肌过度表达Hsp20可引起心肌细胞外泌体组成和数量的改变。改变后的外泌体被检测出含有细胞保护性蛋白，包括磷酸化的丝氨酸-苏氨酸激酶(Akt)、超氧化物歧化酶(SOD)1和生存素(survivin),这些蛋白可以传递给内皮细胞，促进心肌血管生成，减轻糖尿病心脏的氧化应激、纤维化和凋亡[13]。

此外，除了通过外源介质逆转外泌体在病态心肌中的有害作用之外，来自未受刺激的大鼠或人的外泌体的有益旁分泌作用也可以逆转。Davidson SM等最近的一项研究表明，来自非糖尿病小鼠的血浆外泌体可以在体外和体内保护大鼠心脏免受缺血-再灌注(Ischemic reperfusion, I/R)损伤。此外，在体外，外泌体激活细胞外信号调节激酶(ERK)1/2和P38促分裂原活化蛋白激酶(P38MAPK)心脏保护途径以及Hsp27(高度细胞保护性Hsp家族成员)的磷酸化，通过Hsp70与胞质膜Toll样受体(TLR)4的相互作用直接保护原始心肌细胞免受I/R损伤。然而，在不影响GK大鼠血浆外泌体生成和形态的情况下，其已经失去了激活心脏保护信号通路的能力。有趣的是，使用来自非糖尿病动物的外泌体可以在糖尿病大鼠的心肌细胞中激活心脏保护信号[21]。由此可以推测糖尿病和高血糖症可能会损害由外泌体引起的心脏保护信号传导作用，未受刺激的大鼠或人类的外泌体会对心脏产生持续的有益作用，可能会因高葡萄糖等应激而发生改变。

4、治疗与展望

目前，外泌体作为一种有效的、靶向的、非免疫原性的传递介质，无论作为生物标志物还是作为疾病的治疗手段，都引起了广泛的关注[22,23]。

心脏是终末分化的器官，意味着心肌细胞在受损后几乎没有分裂能力。干细胞衍生的外泌体治疗已在心脏再生中得到深入研究[24]。Lai RC等的一项研究报道，从人胚胎干细胞(Embryonic stem cells, ESC)源性间充质干细胞(ESC-MSCs)释放的外泌体可以在体外和体内保护心肌免受I/R损伤[25,26]。28d后心功能得到改善，表明这种保护作用是可持续的[27]。此外，在外泌体给药后1h至第2d,检测发现激酶Akt和糖原合成酶(GSK)3α/β的活性增加，这些激酶具有心脏保护作用[27]。在大鼠心肌梗死时直接将过表达锌指转录因子(GATA)4的间充质干细胞(MSCs)释放的外泌体注入大鼠体内后，其心肌收缩功能得到保留并且梗死面积缩小[28]。而在Khan M等[29]的研究中可以发现，ESC来源的外泌体可以将其内容物(如miR-294)转移至相邻的靶细胞，与单独使用miR-294发挥的效果相同，提示外泌体有望成为靶向药物。另一方面，富含miR-294的外泌体可以显著改善缺血性心肌病的心肌坏死，增加新的微血管形成、肌细胞增殖和改善心肌梗死后的心肌存活，且该效果持续的时间为6～8周，提示外泌体的作用半衰期较长[30]。由于DCM的发病过程存在不同程度的微血管病变及心肌缺血，外泌体的新生血管功能可能起到重要的作用。然而，很少有研究将外泌体作为DCM的治疗方法，因此，内皮细胞衍生的外泌体可能有助于预防DCM的发展或糖尿病的缺血性并发症。

运动可以减少糖尿病患者的心功能不全，但其潜在的分子机制仍不清楚[31,32]。最近，Chaturvedi P等的一项研究表明，与db/db小鼠组(T2DM模型小鼠)相比，运动组小鼠体内外泌体通过出芽进入血管腔，大量释放[33]。一项基础分析证实，来自运动心肌细胞的外泌体通过上调miR-29b和miR-455,降低了基质金属蛋白酶-9(MMP-9)的水平，并阻止了MMP-9下游导致心肌纤维化和心肌细胞解偶联的有害影响[33]。然而，外泌体在运动中的作用尚未得到证实，有待于进一步的研究。

不同类型细胞的外泌体的功能和表达表型对于DCM的发生和向心衰的转化产生影响，这可能是一种潜在的医学替代性治疗方法，在这种方法中，有望使用外部人工外泌体来消除DCM的分子缺陷。然而，需要进一步的研究来阐明DCM发生的分子机制和外泌体的生物学作用。总的来说，深入了解与外泌体生成、分泌、作用有关的机制，对于调节外泌体的质量和数量，从而开发有效的治疗DCM的方法和提高治疗干预的疗效具有重要意义。

参考文献:

[4]姚杰春,郭润民,梁伟钧外泌体参与糖尿病心肌病发病的研究进展[J].海南医学,2019,30(11):1451-1454.

[6]位晨层,钟明糖尿病心肌病的发病机制[J]心血管病学进展,2021,51(4):e13475.

[14]张葵孙冬冬,范延红,外泌体在心血管疾病中的作用[J.心血管病学进展,2019,40(4):618-621.

文章来源:杨曦,乔虹.外泌体在糖尿病心肌病中的作用的研究进展[J].心血管康复医学杂志,2023,32(04):398-401.