20
阅读
0
评论
分享
综述
外泌体与中枢神经系统感染
中华医学杂志, 2017,97(33): 2638-2640. DOI: 10.3760/cma.j.issn.0376-2491.2017.33.019
摘要
引用本文: 郭斌, 韩琳琳, 贾延劼. 外泌体与中枢神经系统感染 [J]. 中华医学杂志,2017,97( 33 ): 2638-2640. DOI: 10.3760/cma.j.issn.0376-2491.2017.33.019
正文
作者信息
基金  关键词  主题词
English Abstract
评论
阅读 20 引用 0
相关资源
视频 0 论文 0 大综述 0
以下内容版权归属中华医学会,未经授权不得转载。 ×

外泌体(exosomes)作为一种细胞主动分泌到胞外的直径为30~100 nm间的微小囊泡,近年来成为研究热点。作为一种细胞间交流的载体,在中枢神经系统(CNS)感染的发生、炎症反应及损伤修复中起着重要的调控作用。

一、外泌体概述
1.外泌体的形成、构成:

1987年,Johnstone等[1]在网织红细胞的研究中发现一种膜性小囊泡,最初这种小囊泡被认为是用来排出多余的转铁蛋白受体,并命名外泌体。外泌体可由多种细胞产生,研究者利用脉冲追踪与电镜发现其是经由内体途径生成,目前较认同的是:细胞内陷形成早期胞内体,在内吞体转运复合物(ESCRT)及相关蛋白的调控下,早期胞内体的界膜多处凹陷,向内出芽形成管腔状囊泡,进而转变为亚细胞结构的多泡体(MVBs)。MVBs最后在GTPase家族中的RAB酶的调节下与胞膜融合以出芽方式向外释放形成外泌体[2,3]

透射电子显微镜下外泌体呈杯状,但在体液中通常为球形结构,蔗糖溶液中的密度为1.13~1.19 g/ml,其密度与细胞来源相关,并随蛋白含量而改变[4]。外泌体构成由供体细胞类型、功能,局部微环境等决定,含有蛋白质、脂质、核酸等物质。截止目前外泌体数据库Exocarta显示,已有9 769中蛋白质,3 408种RNA,2 838种miRNA及1 116种脂质在外泌体中被发现(http://www.exocarta.org/)。因其特殊的生成方式而含较多核内体、细胞质膜及细胞液源性的蛋白成分,而少有细胞核、线粒体、高尔基体等相关的蛋白成分[5]。还具有脂质双分子层结构,富含胆固醇和鞘磷脂。此外,外泌体中还包含核酸物质,统称为eRNA。例如Valadi等[6]在研究鼠和人的肥大细胞中首次证明了外泌体中RNA以及miRNA的存在,被靶细胞摄取后发挥相应的生物学活性。

2.外泌体作用方式:

外泌体作为一种新型细胞交流载体,可通过受体依赖性调控机制直接刺激受体细胞,也可通过转运质膜受体、功能性蛋白、细胞器等调控受体细胞。主要通过3种方式发挥信息传递作用[7,8]:(1)外泌体表面的配体与靶细胞受体结合,直接与靶细胞的胞膜融合;(2)膜上蛋白经蛋白酶水解后的可溶性成分与靶细胞受体结合,通过靶细胞的融合或细胞内吞作用被靶细胞摄取;(3)通过mRNA、microRNA或转录因子等向受体细胞传递遗传信息。

二、外泌体在CNS感染中的作用

2006年Faure等[9]首次发现神经元可分泌外泌体,且受钙内流和谷氨酸能突触活性影响。随后又发现小胶质细胞、少突胶质细胞等都能分泌外泌体。而且CNS外泌体能自由穿过人体血脑屏障(BBB)进入外周循环,外周循环中的外泌体也能通过BBB进入颅内发挥其作用[10,11]

1.免疫发病机制中作用:

人类免疫缺陷病毒(HIV)、单纯疱疹病毒(HSV)、朊蛋白等病原体的核酸或蛋白可被包裹入宿主细胞的外泌体,借助外泌体提高致病力[12]。HSV感染细胞分泌的外泌体可以将病毒的被膜蛋白和糖蛋白等转运至未感染细胞,促进潜伏期病毒的再激活、复制、再感染等[13]。2003年Gould等[14]提出了"特洛伊木马假说",逆转录病毒可借助外泌体分泌至胞外,从而增加HIV感染力,扩大HIV的感染范围。

同时研究[15,16]发现,朊蛋白病传染过程中异常朊蛋白生成需要脂筏的参与,而外泌体可为其提供丰富的脂筏。神经细胞被朊蛋白感染后所分泌的外泌体的miRNA表达谱与正常神经细胞不同,对其miRNA进行芯片分析发现,与未受感染的神经细胞源性外泌体相比,在朊病毒感染的外泌体中,let-7b、let-7i等显著上调,而miR-146a下调(miR-146a在炎症应答中起负调控作用)。与传统的感染识别机制不同的是,发生病毒感染的细胞可通过外泌体将病毒内含物传递到其他未感染的细胞。病原体进入宿主细胞后,可以借助宿主细胞产生外泌体,将病原体的蛋白质、核酸等物质转导至未感染宿主细胞,进而对宿主细胞产生毒性作用、免疫抑制,促进感染的扩散。除此之外,隐球菌可以释放外泌体,病原体释放的外泌体可以作为一种潜在的感染传播,其所含内容物(如相关抗原)可促进炎性反应[17]

2.参与抗感染应答:

目前普遍认为颅内炎症反应主要与胶质细胞反应有关,小胶质细胞是单核/巨噬细胞系的细胞,被称之为CNS的专职巨噬细胞。研究报道小胶质细胞分泌的外泌体含有Rab7、CD9、CD63等,具有抗原识别、呈递等作用。同时炎症反应时星形胶质细胞分泌的外泌体中HSP70的含量增加,进而提高细胞的抵抗力[18,19]。而少突胶质细胞在髓鞘形成过程中有着极其重要的作用,炎症是少突胶质细胞应激最重要的因素。有研究发现少突胶质细胞源性外泌体不仅含有髓鞘形成所需的蛋白(PLP、MBP、MOG),同时含有抗氧化应激的蛋白质[11]。除此之外,胶质细胞可能通过外泌体的运载,将自身核糖体富集在受损神经元轴索内促进组织修复。外泌体在病原体和宿主细胞间相互作用中扮演着重要的角色。一方面,病原体借助外泌体作为运输载体,利用其分泌途径,实现免疫逃逸、宿主细胞内的扩增、促进感染等;另一方面,宿主细胞也可利用外泌体来限制病原体的增殖和抵抗感染。目前外泌体的在CNS感染这方面的研究极少,而且作用机制不明确,还需更深入地研究。

三、临床应用
1.生物标志物:

外泌体不仅含有来源细胞的内容物,还能体现来源细胞的生理病理状态。在大多数体液如外周血、尿液、CSF等体液中可检测到[20]。因而利用其作为生物标志物不仅来源易得、检测方便、伤害较小,且由于外泌体膜与来源细胞的细胞膜具有同源性,故利用细胞膜上的蛋白进行免疫分选能提高诊断率。CSF与脑组织的紧密接触,是CNS感染性疾病生物标志物的可靠来源。随着外泌体分离方法的改进,只需6 ml CSF样本便足以进行外泌体蛋白质组学或核酸定量研究[21]。2016年Lee等[22]通过标记CSF外泌体中的胶质纤维酸性蛋白(GFAP)和纤连蛋白鉴别NMO和MS,发现NMO患者外泌体中GFAP较高,提示CSF中外泌体可以应用于CNS的炎症性疾病的诊断。尿中外泌体数量、来源、内容物的变化与多种疾病相关,尿液标本易得且无创,其外泌体中蛋白质及RNA较尿液中可溶性蛋白质和RNA稳定,对于疾病诊断具有重要应用价值[23]。2004年Pisitkun等[24]首次利用超速离心法在4 ℃,200 000×g离心1 h条件下从尿样本中分离获得外泌体。2015年,Ban等[25]研究了不同pH对细胞培养上清外泌体分离的影响,结果发现在酸性条件下外泌体标记蛋白质(CD9、CD63、HSP70)及RNA得率较高,而碱性条件下未检测到外泌体蛋白质及RNA,表明外泌体在碱性条件下容易破坏。尿液中外泌体稳定性如何,是否受pH影响有待进一步研究。

2.药物载体:

理想的药物载体需能逃避机体免疫系统,被靶细胞特异性吸收,具有较长的循环半衰期,加载多种不同的药物等。而外泌体作为一种天然的脂质体有更多优势。首先,外泌体能透过胞膜将承载物运送至靶细胞。其次,外泌体广泛存在于不同体液中且有良好的耐受性,因此外泌体作药物载体在体内可保持较长的半衰期进而提高疗效。此外,外泌体能进行膜修饰进而增强细胞靶向作用,研究发现加了β分泌酶(BACE1)的siRNA的外泌体可穿过BBB,将大脑神经元、小胶质细胞和少突胶质细胞中BACE1的mRNA及蛋白表达下调60%左右[26]。与传统人工合成脂质体相比外泌体在体内外均能加载药物。在体内通过转染将药物装载入来源细胞进而获取目的外泌体;在体外通过电穿孔和脂质转染法将目的药物装载入纯化后的外泌体中。有研究把姜黄素载入荧光标记的外泌体中,经鼻注射治疗自身免疫性脑炎等3种炎症相关CNS疾病动物模型,发现外泌体可通过嗅球到达脑组织被小胶质细胞摄取发挥抗炎作用,而单纯姜黄素及单纯外泌体给药并无显著疗效,外泌体给药系统明显提高姜黄素的溶解性、稳定性及生物利用度[27]

3.疾病的治疗:

近年来外泌体基于干细胞治疗CNS、自免性疾病方面获得极大关注。例如MSC源性外泌体通过转移miR-133b至神经细胞,可促进神经轴突的生长[28]。由于CNS的复杂性,CNS感染性疾病的治疗需要考虑药物能否有效到达脑组织。外泌体作为纳米级颗粒,能自由穿透血管壁、通过BBB,有效避免单核巨噬细胞系统的吞噬。同时具有低免疫排斥及较长半衰期的优点,且能进行长时间、远距离的运输,因此外泌体可作为CNS感染疾病治疗的新工具。

目前应用外泌体治疗疾病的主要方式有2种:一种是通过基因工程技术调控外泌体相关基因的表达。另一种是利用脂质转染或电穿孔方式直接把药物转入外泌体。外泌体包含多种蛋白质、脂质及核酸等物质,因此蛋白质等大分子物质可以装载到外泌体上。外泌体可穿透细胞膜释放mRNA到靶细胞,使受体细胞翻译转染mRNA,并且广泛分布于不同体液中,在体内半衰期较长。由于干细胞治疗存在微血管损伤、细胞栓塞、细胞恶性分化等风险,而基于干细胞的外泌体基因治疗可提高基因治疗的安全性,因此有望成为干细胞治疗的替代疗法。

四、结语

外泌体作为一种细胞间信息交流的载体,在CNS感染性疾病中有着重要作用,作为生物学标志物可协助CNS感染疾病的诊断,也为疾病治疗提供了一种靶向策略,还能为药物载体的研发开启一条新思路,将来可成为CNS感染临床应用的"新武器"。然而,外泌体在CNS感染方面的研究极少,需要更深入的研究,是值得我们努力探索的目标。

参考文献
[1]
JohnstoneRM, AdamM, HammondJR, et al. Vesicle formation during reticulocyte maturation. Association of plasma membrane activities with released vesicles (exosomes)[J]. J Biol Chem, 1987262(19):9412-9420.
[2]
ThéryC, ZitvogelL, AmigorenaS.. Exosomes:composition, biogenesis and function[J]. Nat Rev Immunol, 2002, 2(8):569-579.DOI:10.1038/nri855.
[3]
SimonsM, RaposoG. Exosomes--vesicular carriers for intercellular communication[J].Curr Opin Cell Biol200921(4):575-581.DOI:10.1016/j.ceb.2009.03.007.
[4]
MathivananS, SimpsonRJ. ExoCarta:A compendium of exosomal proteins and RNA[J]. Proteomics, 20099(21):4997-5000. DOI:10.1002/pmic.200900351.
[5]
ColomboM, RaposoG, ThéryCBiogenesis, secretion, and intercellular interactions of exosomes and other extracellular vesicles[J].Annu Rev Cell Dev Bio201430255-289.DOI:10.1146/annurev-cellbio-101512-122326.
[6]
ValadiH, EkströmK, BossiosA, et al. Exosome-mediated transfer of mRNAs and microRNAs is a novel mechanism of genetic exchange between cells[J]. Nat Cell Biol, 20079(6):654-659. DOI:10.1038/ncb1596.
[7]
UrbanelliL, MaginiA, BurattaSet al.Signaling pathways in exosomes biogenesis, secretion and fate[J].Genes ( Basel)20134(2) :152-170.DOI:10.3390/genes4020152.
[8]
CamussiG, DeregibusMC, BrunoS, et al. Exosomes/microvesicles as a mechanism of cell-to-cell communication[J]. Kidney Int, 201078(9):838-848. DOI:10.1038/ki.2010.278.
[9]
FauréJ, LachenalG, CourtM, et al. Exosomes are released by cultured cortical neurones[J]. Mol Cell Neurosci200631(4) :642-648.DOI: 10.1016/j.mcn.2005.12.003.
[10]
GuesciniM, GenedaniS, StocchiV, et al. Astrocytes and Glioblastoma cells release exosomes carrying mtDNA[J]. J Neural Transm (Vienna), 2010117(1):1-4. DOI:10.1007/s00702-009-0288-8.
[11]
Krämer-AlbersEM, BretzN, TenzerS, et al.Oligodendrocytes secrete exosomes containing major myelin and stress-protective proteins:trophic support for axons?[J].Proteomics Clin Appl20071(11):1446-1461.DOI:10.1002/prca.200700522.
[12]
SampeyGC, MeyeringSS, AsadZM, et al. Exosomes and their role in CNS viral infections[J]. J Neurovirol, 201420(3):199-208. DOI:10.1007/s13365-014-0238-6.
[13]
DarganDJ, Subak-SharpeJH. The effect of herpes simplex virus type 1 L-particles on virus entry, replication, and the infectivity of naked herpesvirus DNA[J]. Virology, 1997239(2):378-388. DOI:10.1006/viro.1997.8893.
[14]
GouldSJ, BoothAM, HildrethJE.The Trojan exosome hypothesis[J]. Proc Natl Acad Sci U S A2003100(19):10592-10597.DOI:10.1073/pnas.1831413100.
[15]
BaronGS, WehrlyK, DorwardDW, et al. Conversion of raft associated prion protein to the protease-resistant state requires insertion of PrP-res (PrP(Sc)) into contiguous membranes[J]. EMBO J, 200221(5):1031-1040. DOI:10.1093/emboj/21.5.1031.
[16]
BellinghamSA, ColemanBM, HillAF. Small RNA deep sequencing reveals a distinct miRNA signature released in exosomes from prion-infected neuronal cells[J]. Nucleic Acids Res, 201240(21):10937-10949. DOI:10.1093/nar/gks832.
[17]
OliveiraDL, Freire-de-LimaCG, NosanchukJD, et al. Extracellular vesicles from Cryptococcus neoformans modulate macrophage functions[J]. Infect Immun, 201078(4):1601-1609. DOI:10.1128/IAI.01171-09.
[18]
PotolicchioI, CarvenGJ, XuX, et al. Proteomic analysis of microglia-derived exosomes:metabolic role of the aminopeptidase CD13 in neuropeptide catabolism[J]. J Immunol, 2005175(4):2237-2243.
[19]
TaylorAR, RobinsonMB, GifondorwaDJ, et al. Regulation of heat shock protein 70 release in astrocytes:role of signaling kinases[J]. Dev Neurobiol, 200767(13):1815-1829. DOI:10.1002/dneu.20559.
[20]
黄楷森刘微黄德嘉. 外泌体在心血管疾病领域的研究现状[J].国际心血管病杂志2014,(4):223-226. DOI:10.3969/j.issn.1673-6583.2014.04.005.
[21]
ChiasseriniD, van WeeringJR, PiersmaSR, et al. Proteomic analysis of cerebrospinal fluid extracellular vesicles:a comprehensive dataset[J]. J Proteomics, 2014106191-204. DOI:10.1016/j.jprot.2014.04.028.
[22]
LeeJ, McKinneyKQ, PavlopoulosAJ, et al. Exosomal proteome analysis of cerebrospinal fluid detects biosignatures of neuromyelitis optica and multiple sclerosis[J]. Clin Chim Acta, 2016462118-126. DOI:10.1016/j.cca.2016.09.001.
[23]
DearJW, StreetJM, BaileyMA. Urinary exosomes:a reservoir for biomarker discovery and potential mediators of intrarenal signalling[J]. Proteomics, 201313(10-11):1572-1580. DOI:10.1002/pmic.201200285.
[24]
PisitkunT, ShenRF, KnepperMA. Identification and proteomic profiling of exosomes in human urine[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2004101(36):13368-13373. DOI:10.1073/pnas.0403453101.
[25]
BanJJ, LeeM, ImW, et al. Low pH increases the yield of exosome isolation[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2015461(1):76-79. DOI:10.1016/j.bbrc.2015.03.172.
[26]
Alvarez-ErvitiL, SeowY, YinH, et al. Delivery of siRNA to the mouse brain by systemic injection of targeted exosomes[J]. Nat Biotechnol, 201129(4):341-345. DOI:10.1038/nbt.1807.
[27]
ZhuangX, XiangX, GrizzleW, et al. Treatment of brain inflammatory diseases by delivering exosome encapsulated anti-inflammatory drugs from the nasal region to the brain[J]. Mol Ther, 201119(10):1769-1779. DOI:10.1038/mt.2011.164.
[28]
XinH, LiY, BullerB, et al. Exosome-mediated transfer of miR-133b from multipotent mesenchymal stromal cells to neural cells contributes to neurite outgrowth[J]. Stem Cells, 201230(7):1556-1564. DOI:10.1002/stem.1129.
 
 
关键词
主题词