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综述 | Cell子刊(IF=27.287):外泌体作为细胞间代谢互作的介质

 MITOMMY 2021-10-09



编译:微科盟胜寒,编辑:微科盟Tracy、江舜尧。

微科盟原创微文,欢迎转发转载。

导读
外泌体是所有类型的细胞都会分泌的纳米颗粒,是细胞外囊泡(EV)的重要组成部分。外泌体一旦分泌出来就会进入组织间隙并最终进入循环,旁分泌发挥其局部调节作用或者远端全身性作用。因此,外泌体是细胞间和器官内相互交流的重要组成部分,能够将生物信号从一种细胞类型或组织传送到另一种细胞类型或组织。外泌体由蛋白质、脂质、miRNA 和其他RNA种类组成,外泌体的许多生物学效应都归因于miRNA。外泌体miRNA也被用作疾病生物标志物。外泌体在生物学和代谢领域研究越来越广泛,未来医学上可能会使用外泌体或miRNA 治疗代谢疾病。

论文ID


原名:Exosomes as mediators of intercellular crosstalk in metabolism
译名:外泌体作为细胞间代谢互作的介质
期刊:Cell metabolism
IF:27.287
发表时间:2021.09
通讯作者:Jerrold M. Olefsky
通讯作者单位:美国加州大学圣迭戈分校医学院代谢学系

内容

1.   引言

外泌体的研究发展迅速,它几乎贯穿了生理学和病理生理学的所有领域。外泌体是异质性的,是几乎所有细胞类型释放的细胞外囊泡(EVs)的组成部分。分泌的外泌体进入组织间隙,最终进入循环系统,作为细胞间交流和通信系统的重要组成部分。外泌体是双层囊泡纳米颗粒,大小在30至150 nm之间,通过特定的胞外分泌过程从细胞中释放出来。微囊泡( MVs),有时被称为外体,是从质膜上脱落的更大的EVs,大小为100nm-1μm,凋亡小体是凋亡细胞死亡后释放的EVs中更大的组成部分(直径50-5000 nm)。在这篇综述中,作者将特别关注外泌体的生物起源,组成和应用潜力。
外泌体领域的一个最初概念是,这些纳米颗粒作为废物处理系统,允许细胞包装和分泌不需要的细胞成分到细胞外环境。虽然这可能是部分正确的,但最近的研究集中在各种生理和疾病相关事件的外泌体效应,以及其作为疾病的生物标志物的重要性上。事实上,外泌体的不同信号特性已经在许多领域中得到了公认。在本文中,作者将回顾目前外泌体在代谢领域作为疾病生物标志物,以及发挥代谢调节作用的相关研究进展。由于外泌体以受调节的方式从细胞分泌,进入循环,并被远端细胞吸收并发挥生物学作用,因此外泌体生物学与经典内分泌系统有许多相似之处。新出现的证据表明,外泌体及其分泌受到多种不同的机制调控,这类似于典型的内分泌系统。利用基于大小、密度和膜蛋白成分的多种技术,研究者可以从细胞培养基和各种生物液体中分离出富集的外泌体。目前外泌体分离还没有一个标准的、被广泛接受的技术,但相关方法正在迅速发展。由于外泌体的异质性以及各种表征手段的不同,其分离方法存在技术限制,但外泌体领域已经出现了许多重要的发现。循环中的外泌体在作为生理调节剂和潜在治疗载体以及疾病生物标志物方面具有重要的潜力。
作为正常细胞功能的组成部分,几乎所有的细胞类型都向细胞外环境释放各种各样的纳米囊泡。这些囊泡,通常被称为EVs,包含许多成分,如蛋白质、脂类和各种RNA种类,包括mRNA、长非编码RNA和microRNAs (miRNAs)。其中一些蛋白和脂质在囊泡表面表达,而另一些蛋白和脂质双分子层包裹着囊泡,囊泡腔内包含许多其他成分。在这些 EVs中,外泌体特别受关注,因为它们的生物发生和胞吐分泌途径包含特定的细胞内机制,研究者可以通过调节来确定外泌体的组成、功能和可能的靶向。压力、炎症或细胞周期事件等环境和细胞信号可以改变加载到外泌体中的特定成分,也可以调节外泌体释放的整个过程。
利用循环作为转运系统,外泌体到达远端细胞位点,在那里它们可以结合到细胞表面并通过特定机制进行内吞作用。最近的证据表明,外泌体吸收机制可以被调节,各种外泌体可能包含特定的靶向分子,导致对受体组织有一定程度的特异性。外泌体也可以进行胞吞作用,允许它们穿过血脑屏障,进入中枢神经系统。国际细胞外囊泡协会(ISEV)推荐将EVs作为一个通用术语来描述由脂质双分子层细胞释放的所有纳米颗粒。外泌体是EVs的重要组成部分,现有各种技术来分离外泌体富集群体。然而,外泌体分离技术仍在不断发展,目前的方法产生的制剂在外泌体中高度富集,但仍含有少量其他EV亚型,如 MVs。研究中使用可靠的外泌体制备方法并对所得囊泡进行充分表征,研究结果才可以使用术语外泌体来进行描述。关于表征,ISEV 建议测量至少三种具有外泌体特征的蛋白质标记物,包括至少一种跨膜蛋白,如四次跨膜蛋白(CD63、CD81 和 CD82)、整合素或其他。此外,还需要一个胞浆蛋白(如TSG101、ALIX和syntenin)和一个阴性蛋白标记(如白蛋白和核糖体蛋白)。除了这些标准,在白细胞(CD37和CD53)、内皮细胞(ECs)(PECAM1)、间充质干细胞(MSCs) (CD90)和其他细胞中也发现了细胞类型特异性的外泌体蛋白。在本综述的其余部分,作者将在适当的时候使用外泌体一词。
 
2.   外泌体生物起源

外泌体源自内体结构,该结构起源于质膜上内体的内吞作用(图1)。这些早期分选的内体最终成熟为晚期分选的内体,然后可以产生多泡的内体结构。多泡体 (MVB) 通过内体膜的向内内陷发展,在这些 MVB 内形成许多气泡,通常称为腔内囊泡 (ILV)。这些含有 ILV 的 MVB 可以与包含降解途径的溶酶体融合。或者,它们可以经历特定的胞吐过程,从而最终与质膜融合,将内陷的外泌体释放到细胞外空间。各研究已经描述了参与外泌体生物发生过程的多种蛋白质和脂质,例如,Rab蛋白调节囊泡运输和外泌体形成;此外,其他蛋白质与ALIX等辅助蛋白质一起组装成运输所需的内体分选复合物的四个组成部分(ESCRT-0、-I、-II和-III),这些复合物参与了MVB和ILV的生物发生。ESCRT-0复合物识别并隔离内体膜中的泛素化蛋白,而ESCRT-I和-II复合物负责将膜变形成带有隔离成分的芽。ESCRT-III组分随后驱动囊泡分离。四次跨膜蛋白可诱导膜弯曲结构,从而形成囊泡。最后,各种脂质修饰酶,如鞘磷脂酶,产生促进囊泡形成的神经酰胺。然而,要阐明这些细胞内成分在外泌体生物发生/胞吐过程中的具体作用,仍有许多工作要做。其中一个复杂的因素是,参与这些过程的许多蛋白也作用于其他细胞内功能,因此功能获得或丧失的研究可能同时干扰外泌体生物发生/胞外分泌和其他细胞内事件。外泌体生物发生背后的过程仍有待进一步研究。

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1 外泌体和微泡的生物发生途径
微泡直接从质膜中出芽,外泌体是由多泡体脂质双层膜向内出芽产生的。MVB与质膜融合是一个严格调控的多步骤过程,包括MVB沿着微管运输,并在质膜上对接,以进一步释放外泌体。另外,MVBs可以与溶酶体融合,作为降解过程的一部分。最初,外泌体通过蛋白-蛋白或受体-配体相互作用结合到受体细胞表面,这可以启动信号级联,激活内吞通路。外泌体分泌作用于受体细胞发挥生物学效应。
 
3.   外泌体被受体细胞摄取

外泌体到达受体细胞后,内化通过两个步骤发生。最初,外泌体通过蛋白-蛋白或受体-配体相互作用结合到细胞表面,这可以启动信号级联,激活内吞通路。

3.1 通过膜结合受体摄取

蛋白酶K处理后受体细胞摄取减少,证实外泌体表面蛋白的作用。许多蛋白质已被鉴定为使外泌体与细胞结合的膜结合受体。许多蛋白质已被鉴定为膜结合受体,使外泌体与细胞结合,包括整合素-四跨膜蛋白复合物,和/或外泌体ephrin受体(Eph)与受体细胞上表达的膜ephrin结合。另一个例子是具有胶原结构的巨噬细胞受体(MARCO),它可以介导巨噬细胞的外泌体内化。此外,外泌体膜蛋白也调节循环动力学,研究发现外泌体在静脉给药前的蛋白酶处理后导致循环清除率延迟。由于外泌体表面蛋白受亲代细胞蛋白质库的影响,外泌体膜组成可以根据细胞生理状态而变化。外泌体富含糖蛋白,由于受体介导的外泌体摄取可能依赖于醣基化,天然糖基化的破坏会改变受体细胞类型的摄取。糖基化是否直接参与细胞识别和/或主动进入细胞尚不清楚。
 
3.2 内吞作用

内吞作用是通过网格蛋白依赖或非依赖途径摄取外泌体最常见的机制。网格蛋白介导的内吞作用是细胞外物质摄取的一个众所周知的过程,抑制这一途径减少了外泌体的摄取。网格蛋白独立的内吞作用主要包括caveolin1、RhoA和ARF6。caveolin 1可以介导质膜内特定微域的形成,也称为脂筏,这是外泌体的入口点。
 
3.3 巨胞饮、吞噬和融合

巨胞饮作用是在依赖肌动蛋白聚合的过程中,将大量胞外液体摄取到巨胞饮体中。在巨胞饮过程中,肌动蛋白丝驱动的质膜突出形成内陷,非特异性地吞入细胞外液和小颗粒。已经报道过许多通过此途径摄取外泌体的例子。
巨噬细胞、树突状细胞和其他类型的细胞也通过吞噬作用吸收外泌体。吞噬作用可能代表免疫细胞清除外泌体的选择性过程。
融合是外泌体内化的另一种潜在机制。在细胞表面膜融合过程中,两种不同的脂质双分子层膜相互靠近,形成半融合柄。该茎膨大,出现半融合隔膜双层,随后融合孔打开,促进两个疏水核的混合。特定的外泌体亚型进入选定的受体细胞的调控机制是一个重要和新兴的课题,也是未来研究的关键课题。
 
4.   细胞外囊泡组成

细胞外囊泡的组分在不同的生物流体中保持相对稳定。这些组分包括蛋白质、脂类、代谢物、氨基酸、各种RNA和DNA。

4.1 外泌体组成

外泌体成分赋予外泌体对邻近或远端细胞的生物学效应。外泌体的脂质成分包括鞘脂、胆固醇、磷脂酰丝氨酸、饱和脂肪酸和神经酰胺,所有这些都在质膜中存在。神经酰胺在 ILVs 出芽到 MVBs 腔中的直接作用显示使用中性鞘磷脂酶抑制剂减少外泌体的总体分泌。外泌体的蛋白质组包括与膜运输相关的蛋白质,例如四跨膜蛋白(CD63、CD81、CD82 和 CD9),它们通过 ALIX 和 ESCRT-III 依赖性途径被招募到外泌体。外泌体还可以富含热休克蛋白(Hsp60、Hsp70 和Hsp90)、整合素和 MHC II 类蛋白。外泌体并不仅仅代表亲代细胞的蛋白质组成。通过翻译后修饰控制的选择性蛋白质组分分类,某些蛋白质在外泌体中富集,如与ESCRT复合物结合所需蛋白的泛素化。
在不同的外泌体RNA种类中,miRNAs和mRNA的研究最为深入。研究表明一些外泌体mRNA是完整的,可以在受体细胞中转化为功能蛋白。RNA进入外泌体的过程是有选择性的,这些机制被相关文章进行了综述。
外泌体DNA (exoDNA)可以包括单链或双链DNA形式的核DNA和线粒体DNA。ExoDNA可位于囊泡表面或囊泡内部。DNA包装到外泌体的机制尚不清楚。
 
4.2 微泡组成

MV也包含上述组分,有几种机制调节货物蛋白进入MV管腔,包括ESCRT。此外,细胞质蛋白在MV管腔形成位点与质膜结合。这种结合是基于翻译后修饰,如肉豆蔻酰化和棕榈酰化,这些蛋白集中在MV出芽的质膜区域。由于MV覆盖了一个显著且不均匀的尺寸范围(50 nM-1μM),MV囊泡大小和组成成分之间的差异值得进一步研究。
MV 中存在不同的 RNA 种类,包括 mRNA、非编码 RNA 等。 miRNAs和pre-miRNAs都可以通过MVs来传递信息。将 miRNA 包装到 MV 中的确切机制尚不清楚,但 MV与其亲本细胞之间 miRNA 含量的差异表明miRNA 选择性加载到MV中。 MV内的 DNA包括单链 DNA、双链基因组 DNA和线粒体 DNA。 DNA 的长度不同,很大程度上取决于与之相关的MV的大小。完整的MV DNA可以>2 Mbp并且与组蛋白 (H2B) 相关,表明存在完整的染色体 DNA。
 
5.   miRNA的产生、加工、装载和分泌的生物学

miRNA是长22 nt的非编码 RNA,是后生动物和植物基因表达的关键转录后调控因子,在基因表达的转录后调控中起重要作用。miRNA 调节大量细胞功能,其表达的变化与几种人类病理生理状态有关。许多miRNA 以组织特异性或发育阶段特异性方式表达,有助于细胞类型特异性的mRNA和蛋白质表达谱。

5.1 miRNA的加工

Pri-miRNA 是发夹形前体 miRNA 分子,由 RNA 聚合酶 II 从独立基因或蛋白质编码基因的内含子转录(图2)。pri-miRNA 作为两种酶 Drosha和Dicer(RNase III 家族的成员)的底物。 Drosha 切割导致 70-nt pre-miRNA 输出到细胞质,在那里 Dicer 将其加工成 22-bp miRNA/miRNA 双链体。这种双链体的一条链,代表成熟的 miRNA,被整合到 miRNA 诱导的沉默复合物 (miRISC)中。在miRISC中,miRNA 与其目标 mRNA 配对。该过程涉及 6 至 8 nt miRNA 种子序列,该序列与目标 mRNA 的 3 个UTR内的互补核苷酸结合,导致翻译抑制或去腺苷酸化和降解。直接与 miRNA 相互作用的 Argonaute (AGO) 蛋白和 182 kDa 的甘氨酸-色氨酸蛋白 (GW182) 是 miRISC 组装和功能的重要因素,代表了miRNA 抑制途径的关键步骤。在 miRNA 的成熟过程中,Drosha 和 Dicer 都受到多种辅因子或辅助蛋白的协助,例如 SMAD 核相互作用蛋白 (SNIP1) 和腺苷脱氨酶 (ADAR)。 miRISC 的主要成分包括 miRNA、miRNA 的 mRNA 靶标、GW182 和 AGO2。AGO2 蛋白在 miRNA 的 5 端与U或A结合,在介导mRNA:miRNA 对的形成中起重要作用,随后是 mRNA 靶标的翻译抑制或降解。

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图2 microRNA的生成
Pri-miRNA 是发夹形前体 miRNA 分子,由来自独立基因的 RNA 聚合酶 II (RNAPII) 或蛋白质编码基因的内含子转录。pri-miRNA 被 Drosha/DGCR8 切割成 pre-miRNA,并从由 Exportin 5 (XPO5) 结合介导的细胞核输出到细胞质。Dicer 切割产生一个 miRNA 双链中间体。反式激活反应性RNA结合蛋白 (TRBP) 和 Argonaute (AGO) 蛋白组装成 RNA 诱导的沉默复合物 (RISC)。一条 miRNA 链被转移到 AGO 蛋白,导致 RISC 的形成。AGO2 与 miRNA 链之一结合形成成熟的 miRNA,其将被选择性地整合到外泌体中。miRNA 成熟后,RNA 结合蛋白 YBX1 还将 miRNA 分选到外泌体中。
 
5.2 miRNA的装载

MVB/外泌体生物发生过程和miRNA序列特异性决定簇都可能调节miRNA分选到外泌体中。如前所述,ESCRT 在MVB生物发生和胞吐作用中起着重要作用,但敲除 ESCRT 蛋白不会影响 miRNA 分选到外泌体。敲除 ESCRT-III 辅助蛋白Alix不会影响释放 EV数量,但会导致分泌的 miRNA 减少。在外泌体中,miRNA 包含共同序列或 EXO 基序,可促进与 RNA 结合蛋白 (RBP) 的结合,例如异质核核糖核蛋白 (hnRNPA2B1) 和 SYNCRIP。一些研究表明,在 miRNA 中过度表达的短序列基序,例如在 miR-198和 miR-601中发现的 GGAG 和UGCA,控制着外泌体的分选,并且这些基序的定向诱变调节 miRNA。
最近的研究还显示了 AGO2 与外泌体 miRNA 分选之间的联系,并且已经通过质谱 (MS) 或蛋白质印迹法在外泌体蛋白质分析中鉴定了AGO2。众所周知,敲除 AGO2 会降低 HEK293T 衍生的外泌体中的 miRNA的类型或丰度。其他证据也显示了miRISC与外泌体miRNA分选之间的关系。因此,YBX1(Y-box 蛋白 I),而不是 AGO2,与 miR-223 和 miR-144 结合,可以控制包装成囊泡。总之,miRNA 中存在的特定序列可能会指导它们掺入外泌体,而其他蛋白质可能以与序列无关的方式控制外泌体 miRNA 的分类。

5.3 外泌体miRNA的分泌

miRNAs 在外泌体中的比例高于它们的亲本细胞,一些研究表明 miRNAs 不是随机掺入外泌体的。对各种细胞系及其分泌的外泌体中 miRNA 表达水平的分析表明,细胞的miRNA含量与其外泌体相比有很大不同。研究表明 miR-150、miR-142-3p 和 miR-451 等优先进入外泌体。在这种情况下,应注意 miRNA 的细胞含量代表内源性 miRNA 以及通过来自其他细胞类型的外泌体进入细胞的 miRNA 的混合物。通过这种方式,从一种细胞类型进入循环的分泌外泌体的 miRNA 组分可以显著影响受体细胞的 miRNA 谱。
 
6.   miRNA的作用机制和靶标鉴定

如前所述,miRNA抑制RISC内靶mRNA的翻译,在那里它们与 RPB 结合,例如 Argonaute。通过与 mRNA 3 UTR 区域结合的种子序列,目标 mRNA 被加载到RISC中,在那里可以发生翻译停滞。在某些情况下,种子序列之外的 miRNA 序列或不在 mRNA 3 UTR 内的 mRNA 核苷酸参与结合相互作用。
miRNA测序研究表明,从特定细胞类型的血液或条件培养基(CM)中获取的外泌体包含数百种不同的miRNA。然而,考虑到血液或CM中大量的外泌体颗粒,每个外泌体颗粒的miRNA转录本数量可能非常少。如果一种特定的外泌体制剂发挥了代谢作用,那么识别个体miRNA或负责测量生物学效应的miRNA组可能是一项艰巨的任务。首先,需要对外泌体制备中的所有miRNA进行彻底测序。虽然可以检测到数百个miRNA,但大多数miRNA的表达水平非常低,被受体细胞吸收后不太可能发挥生物学作用。由于miRNA通常下调其mRNA靶标,因此可以合理地假设,导致特定生物学效应的相关miRNA将在来自相关细胞类型的外泌体中表现出不同程度的表达增加(例如,肥胖动物的细胞与瘦对照组的细胞相比),这大大减少了候选 miRNA 的总数,如果相关生物效应可以减少到基于细胞的筛选试验,那么所有候选 miRNA 的活性都可以被筛选出来。研究还发现了一种方法来识别负责观察到生物效应的关键 miRNA 或 miRNA组。
如果鉴定出一种外泌体miRNA能产生预期的生物学效应,那么下一步就是确定其机制。miRNA通过抑制靶mRNA的翻译来发挥其生物学作用,但特定的miRNA识别靶mRNA相对困难。然而,已提出的战略往往能带来切实的结果。使用各种生物信息学工具,如TargetScan和PicTar,可以识别所有mRNA靶标,理论上可以与给定的miRNA种子序列相互作用。对于一个给定的miRNA,通常会产生相对大量(几十个或更多)的理论mRNA靶点。然后可以使用转录组评估,如RNA测序(RNA-seq),以识别靶组织中被给定miRNA抑制的mRNA,只有相对少量的潜在mRNA靶点能够满足这些标准。这些可以在个体基础上进行研究,以确定一个给定miRNA的生物学相关mRNA靶点。
由于 RISC 中 RBP、miRNA 和目标 mRNA 的接近,另一种通用方法涉及免疫沉淀方法,可用于成功识别 miRNA/mRNA 目标对。作为一般方法,全细胞裂解物可以与各种试剂交联,以稳定 RBP/miRNA/mRNA 相互作用。然后可以对 RBP 进行免疫沉淀,然后逆转交联并对沉淀的 mRNA 和 miRNA 进行测序。这种方法可以通过评估 miRNA(通常是种子序列)与潜在 mRNA 靶标的互补性来匹配 miRNA 与靶标 mRNA。
 
7.   Non-miRNA外泌体组成

虽然对外泌体miRNAs的研究不如外泌体,但不同类型的蛋白质,如酶、激素、细胞因子、配体等,都可以作为外泌体的组成部分,从代谢组织中释放出来,并在受体细胞中发挥作用。例如,低氧脂肪细胞释放出含有与新生脂肪生成相关的酶的外泌体。此外,肝细胞来源的外泌体可能含有活性精氨酸酶-1,它可以调节循环精氨酸的代谢和血管功能。
脂肪细胞分泌脂联素的途径还包括外泌体介导的途径。二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)处理增加了外泌体部分的脂联素,从小鼠血清中分离出的外泌体与脂联素相关。然而,外泌体中总循环脂联素的比例相对较小,提示外泌体中的脂联素可能没有强大的生物学作用。脂肪细胞外泌体中发现的另一种激素是抵抗素。研究发现褪黑素减少抵抗素从脂肪细胞到肝细胞的外泌体运输,减轻内质网应激诱导的肝脂肪变性。

7.1 外泌体脂类组成

外泌体脂质也可在代谢性疾病的进展中发挥作用。例如,内皮源性外泌体中含有的鞘氨醇1-磷酸(S1P)可以增强肝星状细胞(hsc)的迁移。在患有单纯性脂肪变性的肥胖患者和伴有早期纤维化的非酒精性脂肪性肝炎(NASH)患者的血浆中,循环外泌体中含有富含C16:0神经酰胺和S1P的脂类物质。此外,脂肪细胞可以释放外泌体大小、充满脂质的囊泡,这些囊泡成为局部巨噬细胞的脂质来源。
 
8.   脂肪组织外泌体生物学

脂肪组织质量的增加是肥胖的标志,在绝大多数2型糖尿病患者中都存在。在肥胖中,无论是否有糖尿病,慢性组织炎症,尤其是脂肪组织和肝脏,是胰岛素抵抗的重要因素。肥胖引起的慢性炎症并不局限于脂肪和肝脏,因为有报道称在中枢神经系统、胃肠道、肌肉和胰岛中存在促炎通路激活,这与这些复杂的异质疾病中器官内和器官间的相互干扰相一致。大量的研究探索了各种细胞因子、脂肪因子、脂类和脂肪组织释放的其他可能导致全身代谢功能障碍的因素。
由于外泌体可以从脂肪组织释放出来,并以旁分泌的方式在局部发挥作用,或进入循环并产生全身效应,它们作为细胞间信号传导的效应体的研究越来越多。如前所述,外泌体包含多种成分,这些颗粒的许多生物学效应归因于其miRNA含量(图3)。虽然由于缺乏脂肪细胞来源的特异性标记物,对血液中的脂肪组织囊泡的评估仍然受到限制,高表达的脂肪细胞蛋白如aP2/FABP4, perilipin-1,脂联素,或PPAR已在循环EV中被鉴定。尽管如此,它们作为特定脂肪细胞标记物的用途可能是混淆的,因为它们的表达随脂肪细胞分化状态而变化,而且许多这些蛋白也在脂肪组织巨噬细胞(ATMs)中表达。利用脂肪特异性敲除miRNA处理酶Dicer,研究者发现脂肪细胞是循环外泌体miRNA的主要贡献者(图4A)。将血浆外泌体荧光蛋白水平的丰度标准化为四次跨膜蛋白 CD63,表明脂肪细胞衍生的外泌体代表了少数循环外泌体,需要进一步的工作来评估脂肪细胞囊泡对 EV循环库的确切贡献。

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图3 外泌体miRNA生物学效应
不同代谢组织分泌的外泌体miRNAs对胰岛素信号转导、炎症、血管功能、脂肪细胞生物学和细胞生理都有影响。

在使用全血作为循环外泌体来源的研究中,总体结果显示,肥胖受试者的外泌体在给瘦型小鼠时产生葡萄糖耐受不良,miRs 122、192、27a-3p和27b-3p与这些影响有关(图4A)。在某些情况下,这些miRNA的模拟物重现了对葡萄糖耐受性的影响。肥胖小鼠的循环外泌体在给瘦型小鼠时促进了葡萄糖不耐受和胰岛素抵抗。

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图4 外泌体miRNA对受体细胞的影响
外泌体miRNA介导供体细胞和受体细胞之间的通讯,在代谢信号传导中发挥重要作用。(A)脂肪细胞外泌体miRNAs可以调节脂肪细胞中的巨噬细胞极化、脂肪生成和肥大。此外,脂肪组织巨噬细胞(ATM)外泌体可以通过将miR-690传递到肝脏、脂肪细胞、ATM和骨骼肌来调节胰岛素敏感性。(B)炎症因子诱导含有miR-383-3p和let-7d-3p的内皮细胞(EC)外泌体的释放。ECs将含有腔隙1的外泌体转移到脂肪细胞,脂肪细胞通过释放被ECs吸收的外泌体来进行交换。(C)骨骼肌来源的外泌体诱导骨骼肌的细胞周期和粘附以及小鼠分离细胞的增殖。(D)细胞因子处理的β细胞系和人胰岛导致外泌体miR-21-5p分泌增强。细胞因子处理的β细胞的外泌体诱导受体细胞凋亡。(E)脂毒性肝细胞分泌外泌体,激活肝星状细胞,促进纤维化NASH表型。
 
9.   全脂肪组织外泌体

有许多研究表明,从人类和小鼠肥胖脂肪组织中提取的外泌体可以抑制胰岛素敏感性。从肥胖人类脂肪组织制备的外泌体表现出影响胰岛素信号转导的多种miRNA的差异表达。例如,从肥胖脂肪组织外植体中获取的外泌体可以直接促进胰岛素抵抗,在其中一项研究中,miR-141-3p似乎发挥了作用。其他研究使用了从肥胖小鼠或人类脂肪组织外植体中提取的外泌体,也显示出了损害胰岛素敏感性的生物学效应。肥胖脂肪组织的外泌体也有类似的作用。研究发现,miR-34a在肥胖受试者的内脏脂肪中上调,并观察到敲除miR-34a可以保护小鼠免受肥胖诱导的糖耐量和胰岛素抵抗。他们进一步报道,miR-34a的表达导致肥胖脂肪组织中ATM含量下降,M2样百分比增加,M1样ATM减少,表明这种外泌体miRNA胰岛素增敏作用的潜在机制。肥胖小鼠脂肪组织中的外泌体样颗粒一旦分化为巨噬细胞,可被循环单核细胞吸收并激活随后的促炎分化程序(图4A)。通过使用人类脂肪组织外植体,研究者发现从肥胖和瘦人身上获得的外泌体含有一些不同表达的miRNA。他们发现这些miRNA的一个子集调节与胰岛素作用相关的细胞信号通路。然而,脂肪组织是由多种不同的细胞类型(脂肪细胞、巨噬细胞、免疫细胞类型和ECs)组成的,因此,在研究脂肪组织外植体来源的外泌体时,无法确定产生生物相关外泌体的特定细胞类型。
 
10. 脂肪细胞外泌体

利用肥胖动物的脂肪细胞或高糖处理的3T3L1脂肪细胞,收获的脂肪细胞外泌体直接诱导单核细胞分化为炎症巨噬细胞。研究发现脂肪细胞衍生的外泌体可以抑制M2样巨噬细胞极化状态,这种作用归因于miR-34a(图4A)。另外一项研究使用脂肪细胞特异性dicer敲除小鼠来评估脂肪细胞来源的外泌体的生物学效应。他们发现,棕色脂肪细胞释放的外泌体表达高水平的miR-99b, miR-99b可以进入循环并到达肝脏,在那里它们抑制FGF21的表达。FGF21血液水平的相应变化可能会导致肥胖和/或T2DM的代谢后果。脂肪来源的外泌体miRNAs也具有旁分泌功能,因为从大脂肪细胞释放的外泌体含有miR-16、miR-27a、miR-146b和miR-222,它们可以转移到小脂肪细胞中刺激脂肪生成和脂肪细胞肥大(图4A)。
脂肪细胞外泌体也可以包含非miRNA,发挥生物学作用。例如,肥胖小鼠脂肪细胞产生的外泌体含有线粒体颗粒和线粒体蛋白,细胞表现出氧化损伤,但仍具有呼吸功能。这些外泌体可以从脂肪细胞释放出来,并被心脏中的心肌细胞吸收,在那里它们触发活性氧(ROS)的产生。这对心脏具有抗氧化应激和缺血/再灌注损伤的保护作用。通过这种方式,肥胖中脂肪细胞来源的外泌体在某些情况下可以发挥心脏保护作用。外泌体本身在大小、组分和细胞来源方面是异质的,在目前的技术下,很难形成纯外泌体。
 
11.脂肪组织巨噬细胞外泌体

肥胖的特征是大量 ATMs积累。这些 ATMs已被表示为经典激活的促炎M1 或替代激活的抗炎M2细胞。然而,术语 M1 或 M2 并不能充分适用于体内巨噬细胞群,例如 ATMs。这些与骨髓衍生的巨噬细胞 (BMDM) 相关,巨噬细胞在体外通过 LPS 处理产生 M1 BMDM或IL-13/IL-4 产生M2 BMDM 而极化。体内巨噬细胞群可能与M1或M2状态有相似之处,但又不尽相同。RNA-seq 或单细胞 RNA-seq 研究表明,在这些一般类别中存在离散的巨噬细胞亚群簇。最近的论文在描述体内巨噬细胞群体时经常使用 M1-like 或 M2-like 短语来表示这个概念。在肥胖症中,ATM 数量的增加涉及促炎性 M1 样细胞的积累。这些巨噬细胞产生促炎细胞因子、ROS 和一氧化氮 (NO),它们都在消除外源病原体方面发挥作用。
许多研究表明,这些类似M1的ATMSs 是导致胰岛素抵抗状态的主要因素(图 4A)。研究表明来自肥胖受试者的血浆和脂肪组织来源的外泌体导致肌管和肝细胞中的胰岛素信号减弱。此外,当与脂肪细胞、原代肝细胞或 L6 肌细胞一起孵育时,从肥胖小鼠的 ATM 中收获的外泌体在体外直接引起胰岛素抵抗。这些肥胖的ATMs外泌体也被静脉注射给喂食食物的瘦型小鼠,这些经外泌体治疗的肥胖出现了葡萄糖耐受不良、高胰岛素血症和胰岛素抵抗,与在肥胖小鼠中观察到的情况相当。由于体内外泌体治疗未改变体重和食物摄入量,这些发现表明,肥胖的ATM外泌体可直接导致胰岛素抵抗。另一项研究报道,miR-29a是肥胖ATM外泌体中导致胰岛素抵抗的关键致病RNA。因此,用瘦型小鼠来源的ATM外泌体治疗胰岛素靶细胞(脂肪细胞、肌细胞或原代肝细胞)直接导致胰岛素信号增强,提高细胞胰岛素敏感性。在体内使用瘦型ATM外泌体治疗胰岛素抵抗、高血糖肥胖小鼠,可改善糖耐量,增强胰岛素敏感性。总的来说,人们可以将这些瘦型ATM外泌体视为一种有效的治疗方式,改善肥胖的代谢功能障碍。这些研究还表明,“肥胖”或“瘦”ATM 外泌体完全通过其 miRNA发挥其代谢作用,因为通过敲除对加工或将 miRNA 加载到外泌体中至关重要的蛋白质,如 Drosha 或 YBX1,消除了所有外泌体介导的作用。换句话说,不含 miRNA 的“瘦”或“肥胖”外泌体在体外或体内都没有发挥代谢作用。
瘦型小鼠中的ATM通常具有抗炎表型,通常被称为交替激活或M2样。由于缺乏瘦型的ATM,对瘦型ATM外泌体进行更深入的研究具有挑战性。而骨髓源性祖细胞可以在体外与IL-13和IL-4共同培养,使其向更经典的M2极化状态发展。尽管来自瘦型小鼠的 ATM 和 M2 BMDM 具有可比性,但它们并不相同,并且存在某些表型和转录组差异。然而,最近的一份报告显示,从 M2 BMDM 中收获的外泌体在体外可改善脂肪细胞、肌细胞和原代肝细胞中的胰岛素信号传导,当静脉注射给肥胖小鼠时,它们可改善葡萄糖耐量并增强胰岛素敏感性。外泌体制剂的miRNA测序可以得到所有miRNA的相对完整的图像。利用外泌体miRNA测序、生物信息学方法和基于细胞的筛选试验,研究者发现miR-690是M2 BMDM外泌体中主要的miRNA成分,导致有益的代谢作用(图4B)。的确,用合成的miR-690模拟物在体外或体内治疗胰岛素靶细胞,重现了M2 BMDM或瘦型ATM外泌体的所有有利代谢效应。一种合成的miR-690拮抗剂阻断了这些作用,表明了研究结果的特异性。瘦型ATM外泌体和M2 BMDM外泌体都表达了相当高水平的miR-690。这些M2 BMDM外泌体或miR-690模拟物也在肥胖小鼠中引起了强大的抗炎作用,导致M1样减少和M2样ATM增加。研究者在体外也发现了类似的结果,miR-690在BMDM中促进了抗炎极化表型。这些研究提供了外泌体miRNA生物学的一个例子,可以识别特定的miRNA,如果将其转化可能有未来作为胰岛素增敏剂的治疗潜力。
研究结果发现,从高脂肪饮食小鼠分离的脂肪细胞产生的外泌体促进巨噬细胞分化为促炎性 M1 样状态。这些研究人员将这些影响归因于外泌体 miR-155(图 4A)。一旦这些巨噬细胞极化到促炎状态,来自这些细胞的 CM 直接导致骨骼肌细胞系胰岛素敏感性降低。随后的研究表明,通过 LPS 处理激活的巨噬细胞产生外泌体,抑制脂肪细胞中胰岛素刺激的葡萄糖转运。
人类和小鼠巨噬细胞的其他研究支持 M1 样巨噬细胞衍生的外泌体在促进巨噬细胞促炎途径中的作用。例如,在人和小鼠巨噬细胞外泌体中,通过抑制PPARγ、Socs1 或 Socs6 的表达,miR-155 已被鉴定为有效的促炎因子,表明 LPS 对人巨噬细胞 THP-1 细胞系的刺激导致外泌体的释放,可以激活星状细胞纤维化程序,研究人员miR-103-3p 参与了这一过程。如果这种现象在肝脏炎症和纤维化的发展过程中也适用于肝脏巨噬细胞,那么这可能代表了一种 NASH增强机制。
 
12.内皮细胞外泌体

EC衍生的外泌体在激活或凋亡时被释放。 EC 外泌体构成外周血中所有循环囊泡的一个大亚类(5%-15%),尽管相当大比例的循环血浆外泌体也来自血小板和红细胞。 EC外泌体可以通过促凝和促炎功能以及通过减少EC产生NO 来损害血管功能(图4B)。
蛋白质组学分析表明,分泌的 EC 外泌体含有在原始 EC 中也发现的蛋白质,其中一些可以转移到受体细胞中。其他炎症因子,包括白细胞介素-1 (IL-1)、干扰素-γ (IFN-γ) 和细菌 LPS,可诱导 EC 外泌体的释放,EC 外泌体含有特定miRNA。研究者使用cav1小鼠模型的研究发现邻近的 ECs 将含有 cav1 的外泌体转移到脂肪细胞中,脂肪细胞通过释放被 ECs 吸收的外泌体进行交互(图 4B)。由于 EC 外泌体可以包含来自循环的信号分子,因此可以推测 EC 外泌体对脂肪细胞生理学的影响取决于任何给定时间血液中的信号类型。这种机制可以使血浆成分从内皮细胞转移到脂肪细胞,并且可能受摄食状态和肥胖的调节,这表明外泌体参与了组织对全身营养状态变化的反应。如果是这样,那么EC外泌体可以决定脂肪细胞对全身代谢变化的功能反应。EC-脂肪细胞通讯轴对脂肪细胞功能和全身代谢的潜在广泛影响尚不清楚。
 
13.骨骼肌外泌体

一些研究表明,骨骼肌来源的外泌体在维持肌肉稳态和与其他组织的通信中具有旁分泌和内分泌作用。肌细胞不仅可以表达Tsg101和Alix等外泌体蛋白,还表达参与信号转导的其他蛋白。当成肌细胞分化成肌管时,分泌蛋白的模式发生变化。蛋白质组学分析表明,大部分外泌体蛋白来源于骨骼肌细胞质。在这些蛋白中,只有10%具有规范的分泌序列,43%被鉴定为缺乏N端分泌序列的非经典分泌蛋白。外泌体可能在骨骼肌的分化和成熟中发挥作用,因为研究者在外泌体中发现了许多参与成肌细胞到肌管形成的蛋白质。
新的证据表明,运动增强了MVBs和由此产生的外泌体的生物发生。随后,外泌体释放可携带调节细胞间通讯的因子。有几篇论文认为这些可能调节衰老、T2DM、心血管疾病(CVD)、免疫和肌少症。
众所周知,棕榈酸盐诱导骨骼肌胰岛素抵抗引发了肌管衍生的富含棕榈酸盐外泌体的释放。从饮食诱导肥胖(DIO)小鼠的肌管来源外泌体中发现的棕榈酸酯被转移到受体肌管中,导致参与细胞周期和细胞黏附的基因上调(图4C)。其中,促炎因子IL-6和细胞周期调节因子cyclin D1表达强烈上调,而Glut4表达下调。
 
14.外泌体和β细胞功能

外泌体与胰腺细胞功能的调节有关。例如,从富含20%棕榈酸盐的标准饮食喂养的小鼠中提取的骨骼肌来源的外泌体可以诱导β细胞MIN6B1细胞系的增殖,也可以在小鼠分离胰岛中诱导增殖。这些骨骼肌来源的外泌体在miR-16中富集,miR-16转移到MIN6B1细胞并调控Ptch1,这是一种参与胰腺发育的基因。
几项研究还表明,MSC 衍生的外泌体对β细胞具有潜在的有益作用。 MSC-外泌体的静脉注射降低了空腹血糖水平,恢复了基础胰岛素水平,并促进了β细胞再生,改善了糖尿病大鼠的胰岛素分泌。此外,MSC-外泌体通过富集的外泌体miR-21保护β细胞免受缺氧诱导的细胞凋亡。
β细胞也会分泌外泌体来应对刺激或压力,并影响邻近的细胞。研究发现MIN6B1和INS-1分泌的外泌体可以有效地将miRNA转移到MIN6B1受体细胞。此外,由细胞因子处理的MIN6B1细胞外泌体诱导AGO2介导的受体MIN6B1细胞凋亡。细胞因子处理的β细胞系和人胰岛导致外泌体miR-21-5p分泌增强(图4D)。虽然β细胞分泌外泌体,外泌体可以在局部以旁分泌的方式作用于邻近的β细胞,但β细胞外泌体可能不会进入循环并产生全身效应,因为它们对整个循环外泌体的贡献是可以忽略不计的。
 
15.NAFLD和NASH中的外泌体

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是肥胖和T2DM患者非常常见的特征,其中30%的患者最终发展为NASH。NASH与心血管疾病风险增加相关,是肝硬化和肝细胞癌的前兆。在肝脏内,细胞间通讯在炎症和纤维化的进展中扮演着重要的角色,这是NASH的主要标志。在NASH肝中,肝细胞表现出脂肪变性和脂肪毒性,Kupffer细胞(KCs)和募集的肝巨噬细胞(RHMs)促进肝脏炎症,造血干细胞是纤维化的主要驱动因素。所有的肝细胞,包括肝细胞、造血干细胞、肝巨噬细胞和肝窦内皮细胞,都能够释放外泌体,提示旁分泌介导的肝细胞类型间的细胞间交流可能是肝脏疾病的重要机制。
在健康条件下,肝细胞产生含有鞘氨醇激酶2的外泌体,有助于细胞存活、生长和增殖。此外,肝细胞来源的外泌体可以通过其miRNA转运介导其他生物学效应。例如,在肥胖的早期阶段,肝细胞外泌体中富含miR-3075,当给肥胖小鼠时,它可以在体外和体内产生强大的胰岛素增敏效应。miR-3075的一个主要靶点是FA2H,它参与神经酰胺的产生。由于FA2H被miR-3075抑制,神经酰胺水平的降低可能至少是该miRNA的胰岛素增敏作用的部分机制。在慢性肥胖中,肝细胞外泌体不再携带相当数量的miR-3075,也没有胰岛素增敏作用。事实上,来自慢性肥胖小鼠的肝细胞源性外泌体通过刺激促炎激活和巨噬细胞极化来促进胰岛素抵抗。通过这种方式,肝细胞的初始反应是产生胰岛素增敏外泌体,这可能被视为一种代偿现象,以缓解肥胖中胰岛素抵抗的全面发展。随着时间的推移和慢性肥胖的发生,这种代偿反应消失,肝细胞外泌体通过促炎作用促进胰岛素抵抗。
肝细胞也可以释放外泌体,调节邻近肝细胞和非实质细胞的转录程序,以应对炎症和纤维化。NAFLD进展的关键事件之一是肝细胞内潜在有害脂质的积累,导致肝细胞脂毒性。肝脏脂肪毒性增加肝细胞外泌体释放,这可能导致炎症和纤维化(图4E)。例如,脂毒素诱导的肝细胞外泌体可以刺激促炎细胞因子的表达和分泌,从而导致局部炎症。另一项研究表明,脂质诱导的肝细胞外泌体以caspase-3依赖的方式释放,并促进EC的激活。这些外泌体还通过传递抑制PPAR-γ表达的miR-128-3p来刺激HSC的激活。此外,携带miR-1的外泌体从脂肪变性肝细胞释放,并通过下调KLF4和激活NF-κB通路介导ECs的促炎作用。脂毒诱导的肝细胞外泌体富含趋化因子(C-X-C motif)配体10 (CXCL10),是一种巨噬细胞趋化剂。这导致肝巨噬细胞募集,M1样极化以及单核细胞粘附。此外,肝细胞外泌体可以通过整合素β1依赖的机制促进单核细胞粘附,从而促进单核细胞来源的巨噬细胞在肝脏的募集。因此,肝细胞外泌体可以激活KCs,并在NASH发展过程中促进RHMs的招募和激活(图4E)。
来自不同饮食诱导的NASH动物模型的数据表明,血液外泌体浓度随疾病进展呈时间依赖性增加。这些外泌体可以通过多种机制放大炎症,如巨噬细胞激活和单核细胞趋化。通过灭活DR5信号通路或抑制rho1相关蛋白激酶1 (ROCK1),肝细胞来源的外泌体释放减少,表明在NASH小鼠中,ROCK1抑制可导致外泌体释放减少,肝脏炎症和纤维化减少。
最近,人类肝干细胞(HLSC)衍生的外泌体已被用于治疗饮食诱导的脂肪性肝炎小鼠。治疗显著下调NASH小鼠肝脏前纤维化和前炎症基因表达,改善NASH小鼠的组织学异常。对窦状外泌体的蛋白质组学分析发现了各种抗炎蛋白,这些蛋白可能发挥有益作用。
一些报道表明脂毒性肝细胞可以释放外泌体,刺激造血干细胞的激活和增殖,在纤维化途径中多种基因的表达增加。外泌体miRNAs 28-3P与这些作用有关。来自脂毒性肝细胞的外泌体可以在表面表达Vanin-1,而Vanin-1中和抗体的治疗可以阻止外泌体介导的HSC激活。造血干细胞本身也是导致NASH肝损伤的外泌体的另一个重要来源。造血干细胞的活化或转分化导致不溶性胶原沉积和肝脏正常的宏观和微观解剖结构的变化。在肝损伤期间,含有促纤维化结缔组织生长因子(CTGF)的活化造血干细胞的外泌体可以激活其他造血干细胞。此外,通过外泌体,静止和激活的造血干细胞之间的细胞间通讯也可能调节纤维化,因为激活的造血干细胞可以释放外泌体激活静止的造血干细胞。在这方面,miR-214在活化的造血干细胞中调控α -平滑肌肌动蛋白和胶原蛋白表达的作用已被证实。
综上所述,肝细胞、KCs、RHMs和造血干细胞之间的细胞间信号传导在从NAFLD进展到NASH过程中发挥了关键作用,而通过外泌体进行的局部通信可能是这一过程的组成部分。尽管有大量证据表明肝脏内的细胞间通讯,但应该指出的是,也有证据表明肝脏外部信号对NAFLD和NASH有重要影响。这可能包括来自肥胖脂肪组织的细胞因子和脂肪因子和来自胃肠道的信号,如LPS,以及源自肝脏外的外泌体,所有这些都可以通过循环到达肝脏,促进NAFLD和NASH。
 
16.外泌体作为代谢性疾病的生物标志物

关于生物标志物研究,外泌体组成成分代表了一种在给定时间点对细胞内代谢状态进行采样的方法。根据这种推理,循环外泌体组成可以被认为是原始细胞类型代谢状态的液体活检。生物标志物对特定疾病的病因或并发症具有特异性。关于肥胖,虽然研究者没有必要利用循环生物标志物来诊断肥胖状态,但识别可能预测肥胖、减肥成功或复发的生物标志物将是非常重要的。鉴于生物标志物研究的重点是循环外泌体,而循环的外泌体池是由各种不同细胞类型释放的所有外泌体组成的,因此,根据所述疾病,来自相关疾病相关细胞类型的外泌体特征可能会因来自多个其他细胞或组织的循环外泌体组分的存在而混淆。此外,当关注外泌体作为生物标志物时,另一个要点是,许多早期研究没有使用当前的方法来生产特征明确的丰富外泌体制剂,因此一些报道的miRNA标记可能存在于非外泌体EV成分中,但程度未知。
既往研究表明,循环miRNA谱的改变是代谢疾病发展的生理反应之一。因此,研究者已经在人类和动物模型中研究了循环 miRNA 作为代谢疾病特征的潜力。在评估这种类型的生物标志物研究时,重要的是要区分相关miRNA 是在外泌体中与血液蛋白结合还是在循环中自由循环。在一组差异表达的 miRNA 中,研究者发现病态肥胖患者 (BMI 40 Kg/m2) 血液中的 miR-140-5p 丰度高于肥胖男性 (40 Kg/m2 > BMI 30 Kg/m2)。手术诱导体重减轻后,循环 miR-140-5p显著减少,表明该 miRNA 可能是脂肪量变化的生物标志物。此外,循环 miRNA可能可以表明哪些肥胖患者发生 T2DM 的风险最大。在以人群为基础的Malmӧ饮食和癌症研究心血管队列中,研究者报道循环中miR-483-5p水平与T2DM和CVD的发生率相关。此外,许多研究报告了与肥胖或其他代谢疾病相关的循环 miRNA 谱的变化。然而,在这些研究中,很少有 miRNA 候选物是一致的,并且研究者也观察到了不同的模式。这些不一致的结果可能与技术差异有关,一些研究评估了所有循环的 miRNA,而另一些研究评估了 EV miRNA,只有少数研究了外泌体 miRNA,并且这些不同成分之间的 miRNA是不同的。此外,miRNA 的测量方法并不统一,一些报告使用染色质免疫沉淀 (ChIP)技术,另一些报告使用直接测序来评估 miRNA 表达特征。
二甲双胍治疗后T2DM患者血浆外泌体中的miRNA显着减少,更重要的是,在这些二甲双胍抑制的外泌体 miRNA 中,大多数在T2DM患者中表达水平高于健康人。相比之下,这些二甲双胍介导的 miRNA 丰度变化在全血浆或外泌体耗尽的血浆中几乎没有检测到。另一项早期研究发现在胆碱缺乏的饮食诱导的肝脂肪变性中,大部分循环 miR-122 包含在外泌体中,而在瘦型对照小鼠中,miR-122主要与循环中的 Argonaute 2 结合,独立于外泌体。此外,血浆外泌体中的miRNA可能比全血浆更能预测miRNA来源。外泌体可以由大多数细胞类型分泌,区分外泌体的细胞特异性来源及其在生物流体中的miRNA一直是一个挑战。
新出现的证据表明,一些外泌体含有细胞特异性表面蛋白,可以从生物体液中沉淀。例如,血小板和活化的 EC 衍生的外泌体都携带 CD31,使它们能够使用CD31 抗体偶联的磁珠沉淀法从人血浆中富集 CD31+ 外泌体。他们发现 T2DM 患者 CD31+ 血浆外泌体中的一组特定 miRNA 与心血管不良事件的发生率密切相关。尽管许多研究已经对原代细胞离体培养后从 CM 分离的外泌体中的 miRNA 进行了分析,但这些外泌体 miRNA 谱可能与在体内生理条件下表达的那些不同。因此,更精确地测量细胞特异性循环外泌体 miRNA 的方法将极大地推进生物标志物领域的这一领域。总之,这些发现支持循环 miRNA 可能是代谢疾病敏感特征的概念,但需要未来的研究来验证这一概念。
外泌体蛋白质组成也与某些细胞功能有关,这表明外泌体蛋白质特征可能是潜在的生物标志物。因此,已经报道人血浆外泌体含有与胰岛素信号传导相关的各种蛋白质,并且血浆外泌体中较低水平的磷酸-S6RP、磷酸-GSK3β和磷酸-AKT与较高的HOMA-B水平相关。此外,较高的 HOMA-IR 与血浆外泌体中较少的磷酸 S6RP 显着相关。此外,与健康人血浆外泌体相比,从 T2DM 患者中分离出的血浆外泌体含有更少的瘦素受体和磷酸化-IR。这些发现表明循环外泌体蛋白可能提供β细胞功能障碍和/或胰岛素抵抗的标志物。通过比较来自健康、肝硬化前期和肝硬化 NASH 人的血浆外泌体中的蛋白质谱,研究者发现了一组肝细胞衍生的外泌体蛋白质,它们具有作为 NASH 诊断生物标志物的潜力。然而,将外泌体蛋白作为生物标志物的报告数量非常有限,未来有必要探索这个问题。
 
17.转化和临床方面

17.1 外泌体作为治疗或药物传递载体

鉴于外泌体作为纳米囊泡的性质,可以跨越不同的生物屏障转移,外泌体已被作为各种分子的运载载体,包括蛋白质和不同的RNA。一些研究发现,外泌体的摄取可能是细胞特异性的,这是药物输送的一个重要特征。然而,尽管目前的研究正在加速进行,但关于代谢疾病这一主题的临床论文仍然很少。其他领域已经取得了更重大的进展,其中一些研究将被简要总结为未来在代谢领域可能出现的例子。例如,肿瘤细胞来源的外泌体含有特定的整合素,它可以引导外泌体分泌到特定的器官。事实上,一项早期研究表明,在前列腺、乳腺癌、宫颈癌和胰腺癌模型中,表达αv整合素特异性肽的外泌体可以有效地将外泌体运送到αv整合素肿瘤中。此外,改造的小鼠树突状细胞产生神经元特异性RVG(狂犬病毒糖蛋白)肽表达外泌体,可在静脉注射后特异性地将小干扰RNA (siRNA)运送到神经元、小胶质细胞和少突胶质细胞;另一项研究也使用表达RVG的外泌体将miR-124传递到小鼠卒中模型的梗死部位,其他研究也采用了类似的工程方法。研究发现糖基磷脂酰肌醇锚定肽的融合增强了含有抗 EGFR 纳米抗体的外泌体与 EGFP 阳性肿瘤细胞的结合效率。正在进行的临床研究正在进行以验证动物模型的这些发现。
越来越多的研究表明外泌体在代谢疾病中的作用。由于其再生能力、免疫耐受性和免疫调节功能,来自 MSC 的外泌体已在多项临床研究中被测试为治疗剂。人类 MSC 衍生外泌体的第一份报告显示,在 MSC 外泌体治疗的第一周内,急性移植物抗宿主病症状显着减轻,并保持稳定 4 个月。在另一项研究中发现用人脐带血来源的 MSC 外泌体治疗慢性肾病 (CKD) 患者可减轻炎症反应和 CKD 的进展。此外,研究者还启动了一项临床试验,以评估人脐带血来源的 MSC 外泌体对1型糖尿病患者β细胞质量的影响。另一项临床试验正在进行中,以评估生姜或芦荟衍生的外泌体对多囊卵巢综合征患者胰岛素抵抗和慢性炎症的影响。关于将人类外泌体从供者提供给受者的概念,不太可能出现不必要的免疫反应,因为含有外泌体的全血和血浆输血已经使用了几十年。

结论

外泌体是所有类型细胞分泌的纳米颗粒,进入组织间隙并最终进入循环。在这种方式下,外泌体代表了细胞间和器官间串扰的广泛信号系统。外泌体的分泌受营养输入、细胞应激和各种各样的生理或病理生理状态的调节。鉴于这些调节事件和来自特定细胞的分泌外泌体作用于远端受体细胞的能力,外泌体显示出许多经典内分泌信号的特征。外泌体miRNA可以影响多种生物学途径调节代谢。新的和改进的方法将出现,以产生更高纯度的外泌体制剂,这将有助于解决有关外泌体分泌调节、外泌体靶向特定目的地以及外泌体被受体细胞摄取的详细机制的突出问题。使用循环外泌体作为一种液体活检方法来识别疾病生物标志物已经取得了积极的结果,未来的研究可能会识别改进的生物标志物特征。外泌体具有巨大的治疗潜力,代谢领域以外的临床研究已经在进行中。在代谢领域,未来的工作可能包括对外泌体、含有特定miRNA的人工外泌体以及装载到外泌体中的其他类型有效成分的研究。总之,外泌体生物学领域正在快速发展。

原文链接:  
/science/article/pii/S1550413121003697

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