不同来源外泌体在阿尔兹海默病脑血管损伤中的作用研究进展 (1).pdf

基 金 项 目:广 东 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目(面 上 项 目)(2021A1515010982);广东省医学科研基金立项项目(A2021212)作者单位:524000湛江,广东医科大学附属医院神经内科(马璐瑶、何雯、古映灵、罗绍、钟望涛),神经病学研究所(马晓瑭、许小冰)通信作者:钟望涛,主任医师,硕士生导师,电子信箱:zhongwang-tao512 不同来源外泌体在阿尔兹海默病脑血管损伤中的作用研究进展马璐瑶马晓瑭许小冰何雯古映灵罗绍钟望涛摘要阿尔兹海默病(Alzheimers disease,AD)是一种常见的神经退行性疾病。AD 脑血管损伤与脑内 -淀粉样蛋白(amyloid -protein,A)沉积、神经炎症等病理的发生密切相关,严重影响了 AD 患者的生存。外泌体是一种由细胞分泌的小分子囊泡,能够介导细胞间货物转运和信号转导,并在多种生理和病理过程中发挥重要的调节作用。近年来,随着对外泌体的研究不断深入,不同来源的外泌体在 AD 脑血管损伤中的作用被发现,这也为研究 AD 的发病机制以及应用外泌体治疗 AD 提供了新的思路。因此,本文旨在对不同来源外泌体在 AD 脑血管损伤中发挥的作用研究进展做一综述。关键词阿尔兹海默病外泌体脑血管损伤血-脑脊液屏障中图分类号R74文献标识码ADOI 10.11969/j.issn.1673-548X.2024.04.005阿尔兹海默病(Alzheimers disease,AD)是一种原发性中枢神经退行性疾病,占痴呆病例的 60%80%,其主要临床表现为进行性加重的认知功能障碍、精神行为异常和日常生活能力减退1。随着老龄化加剧,AD 对个人健康的威胁及对家庭和社会造成的精神和经济负担越发严重。脑血管调控脑组织血流量和物质的运输,具有维持脑内氧气、能量底物和营养物质供应的作用。脑血管损伤在 AD 发病中既是“因”也是“果”。一方面,脑血管损伤可引起 -淀粉样蛋白(amyloid -protein,A)清除障碍、神经胶质细胞活化、神经元变性以及神经炎性反应导致 AD的发生、发展。另一方面,AD 中有害物质产生或累积增多和各种调节机制紊乱,能促使脑血管内皮细胞间的特异性蛋白表达改变和氧化还原反应失衡,进而导致内皮细胞功能失调、血管动脉弹性蛋白降解和血-脑脊液屏障(blood-brain barrier,BBB)通透性增加2。外泌体是一种由细胞释放的直径为 30 200nm的细胞外囊泡,内部富含蛋白质、脂质、核酸等物质。外泌体可通过配体-受体相互作用、内吞作用、吞噬作用进入细胞或直接与细胞质膜融合,进而改变细胞内信号转导和(或)基因调控来调节受体细胞的功能。体内来源的外泌体在 AD 血管损伤病理形成的过程中不可或缺,探究其相关作用机制有利于寻求有效的 AD 治疗策略。同时,外泌体具有生物相容性好、免疫原性低、循环半衰期长并能通过 BBB 的优势,这些也为研究者应用外源性干细胞外泌体或人工修饰的外泌体治疗 AD 血管损伤提供了新的思路和方法。因此,本文将对不同来源的外泌体在 AD 脑血管损伤中发挥的作用研究进展进行综述。一、体内来源外泌体与 AD 血管损伤1.血管内皮细胞外泌体:首先,脑血管内皮细胞外泌体的释放量与 AD 血管损伤相关。既往研究表明,AD 模型大鼠的脑脊液和血浆中血管内皮细胞来源的外泌体增加,在 AD 患者的脑脊液和血浆中也得到同样的结果3。血管内皮细胞外泌体功能随着AD 脑组织病理出现也发生改变。正常生理条件下,血管内皮细胞产生的外泌体富含自噬体、线粒体、热休克蛋白、ATP、血管生成素、脑啡肽酶,可参与血管完整性和炎症的调节以维护脑内环境的稳态4。在AD 病理形成期间,A 可以上调内皮细胞中晚期糖基化终末产 物 受 体(advanced glycation end-prod-ucts,RAGE)的表达损伤脑血管内皮细胞功能。在这个过程中,脑血管内皮细胞外泌体将更多的 A 转移到大脑中的星形胶质细胞、神经元等细胞并诱发脑内神经炎症和血管损伤5。AD 中的慢性神经炎症会加速衰老过程中的内皮功能障碍,血管内皮细胞外泌体可通过前馈机制通过增加 ROS 产生促进内皮细胞进一步衰老。Villar 等6也验证了迟发性散发型 AD02医学前沿J Med Res,April 2024,Vol.53 No.4患者血液或脑脊液的囊泡/外泌体可能起源于脑血管内皮细胞,这种囊泡/外泌体可导致严重的内皮细胞损伤、星形胶质细胞过度激活、神经元死亡和钙失调。另外有研究表明,在细胞和小鼠模型中,脑血管内皮细胞外泌体可将细胞因子和紧密连接蛋白 claudin-5 转移到白细胞并运输到中枢,在诱导 BBB 损伤的同时也促进了神经炎症的发生7,8。2.神经元外泌体:在脑内神经发生区,神经元、胶质细胞可通过外泌体对脑血管进行调控。神经元在生理条件下释放的外泌体有助于维持神经血管功能的稳定,这与外泌体携带的谷氨酸、朊蛋白,L1 细胞黏附分子有关。神经炎症发生时,神经元以囊泡的形式释放过量的谷氨酸可激活血管内皮细胞 N-甲基-D-天冬氨酸受体导致 BBB 破坏。正常神经元释放的外泌体还可通过直接靶向真核伸长因子激酶来调节内皮细胞钙黏蛋白的表达,从而保护脑血管的完整,而在 AD 中这种通过外泌体介导的保护作用减弱9。此外,健康神经元产生的外泌体可驱动 A 构象变化以形成无毒的淀粉样纤维和促进小胶质细胞对 A 的摄取。并且有研究表明,与 AD 形成相关的ApoE4 基因表达可导致神经元从内体-溶酶体系统中产生外泌体的能力下降,影响淀粉样蛋白前体蛋白(amyloid precursor protein,APP)的加工,进一步引发A 沉积和神经血管损伤10。3.胶质细胞外泌体:在一般条件下,星形胶质细胞外 泌 体 含 有 适 量 的 成 纤 维 细 胞 生 长 因 子-2、VEGF、热休克蛋白、突触素、谷氨酸转运蛋白、载脂蛋白 D 等神经血管保护分子,这些外泌体可帮助细胞抵抗氧化应激、保护神经元和脑血管功能。然而当炎性反应加重时,活化的星形胶质细胞释放的外泌体可通过失调的补体系统刺激外周白细胞穿过 BBB 迁移到大脑,介导并加剧 AD 的血管病理进展11。另外有研究发现,来自 AD 患者或 AD 模型小鼠的星形胶质细胞外泌体在体外实验中可诱导血管内皮细胞间隙增加造成血管损伤,并且 AD 患者来源的外泌体可促进野生型小鼠的血管直径增加12。小胶质细胞是大脑中的先天免疫细胞,能依靠囊泡来传播细胞因子调节炎性反应。另外,小胶质细胞外泌体可调节神经元中神经酰胺和鞘氨醇的产生来改善神经突触传递。在 AD 中,小胶质细胞吞噬发生 tau 病变的神经元或突触,并通过外泌体将 tau 蛋白传递给其他神经元,介导AD 病理的形成的同时影响了神经血管功能13。4.外周循环免疫细胞外泌体:免疫细胞是调节炎性反应的关键细胞,对机体维持正常的生理状态具有重要作用。当体内出现有害物质时,免疫细胞会通过血液循环被招募到受损部位用于有害物质的清除。研究发现,在 AD 中,中性粒细胞在 A 沉积区域外渗,并释放中性粒细胞细胞外陷阱和 IL-17,同时A 触发中性粒细胞黏附脑血管内皮并释放炎性介质可导致脑血管功能障碍14。在此过程中,中性粒细胞产生的微囊泡/外泌体被脑血管内皮细胞内化,特异性诱导血管内皮细胞中紧密连接蛋白、泛素介导的蛋白水解和囊泡/外泌体转运相关的基因失调。研究发现,这些中性粒细胞囊泡/外泌体中含有的 miR-210、miR-20b-5p 和 miR-126-5p 水平表达改变,可能影响了 TGF-和 PDGFB 通路和 Hippo,IL-2和 DNA 损伤信号转导,进而改变 BBB 的完整性并影响 AD 的发展15。此外,在脑损伤时,巨噬细胞外泌体也从外周血中转移至大脑血管中,在抑制 TIMP3蛋白表达和 MMP 蛋白水解的同时诱导紧密连接蛋白降解,从而破坏 BBB 的完整性和加重脑损伤16。5.其他体内来源外泌体:血小板外泌体也参与AD 血管病理的形成,活化的血小板外泌体可协助脑细胞间 A 的转移和 tau 蛋白的分泌,诱导了慢性炎症的发生和脑血管内皮细胞应激17。另外,人体内存在的细菌细胞外囊泡已被证明可以在神经炎症和神经变性的大多数阶段调节大脑基因表达并诱导病理发展18。有研究发现,肠道微生物组成异常变化会引起血液循环中含有 HMGB1 的外泌体增加,这种来源于肠道微生物的外泌体与 TLR4 和(或)RAGE结合会引起全身炎症和 BBB 破坏,这也促进了 AD的神经炎症进程19。此外值得注意的是,在 AD 发生的过程中,特别是在脑血管内皮细胞损伤后,外周循环中携带细胞因子的各种外泌体可优先靶向小胶质细胞,致使小胶质细胞大量活化改变其他脑细胞功能并影响神经炎症微环境20。神经炎症发生的同时又进一步加速了脑血管的损伤。这也提示了外周循环的外泌体可通过调节脑细胞的功能间接影响 AD的血管损伤病理发展。二、干细胞外泌体与 AD 血管损伤1.骨髓间充质干细胞外泌体(bone marrow-de-rived mesenchymal stem cells derived exosomes,BMSC-Ex):BMSC-Ex 可以改善 AD 脑内微环境并促进血管损伤的修复。BMSC-Ex 具有减少星形胶质细胞和小胶质细胞的活化、转化 Th2 和 Treg 细胞和介导细胞因子释放的功能,这有利于降低 AD 小鼠的 A12医学研究杂志 2024 年 4 月第 53 卷第 4 期医学前沿水平并减轻神经炎性反应。另外,BMSC-Ex 含有抗氧化酶,可减少 AD 患者大脑的氧化应激和活性氧的产生。研究发现,将不同处理的 BMSC-Ex 注射到AD 模型小鼠体内,发现小鼠脑内炎性相关因子包括TNF-、IL-1 水平以及 STAT3 和 NF-B 的活化下降,保护性因子 IL-4 和 IL-10、生长相关蛋白、突触素水平增加,这些因子可直接或间接参与 AD 脑血管和 BBB 损伤的治疗21 23。在海马损伤小鼠模型中,BMSC-Ex 可以提高内皮细胞紧密连接蛋白 clau-din-5 的 表 达 以 恢 复 BBB 完 整 性,效 果 出 现 在PGE2/EP4 信号转导阻断后24。另外,BACE-1 在AD 模型小鼠的血管内皮细胞上的表达高于野生型小鼠,且 BACE-1 能加重 A 在血管中沉积,BMSC-Ex能抑制脑组织 BACE-1 表达和诱导细胞内级联反应信号的激活,比如沿着 Wnt/-catenin 和 Akt/GSK-3/-catenin 途径起作用的级联反应,从而减轻脑内 A 的产生,保护神经血管功能25。2.其他干细胞来源外泌体:其他干细胞来源的外泌体也可能具有改善脑内微环境治疗 AD 血管损伤的作 用。研 究 发 现,神 经 干 细 胞 外 泌 体 携 带 的VEGF-A 具有促进血管内皮细胞的迁移、增殖和血管形成的作用,用神经干细胞外泌体处理体外 BBB模型可以逆转 AD 引起的 BBB 损伤26。脑啡肽酶是大脑中最重要的 A 降解酶,在细胞模型中,脂肪间充质干细胞外泌体能结合功能性脑啡肽减少神经母瘤细胞对 A 的产生和分泌,在 APP/PS1 模型小鼠中,缺氧预处理的脂肪干细胞外泌体还可以通过减少神经元损伤、改变海马小胶质细胞极化阶改善小鼠神经炎症27。另 外,Yuyama 等28研 究 发 现,长 期 向APP 转基因小鼠的大脑输注神经母瘤细胞来源的外泌体会导致 A 水平和 A 诱导的神经元突触毒性显著降低。人脐带间充质干细胞外泌体能通过释放生长分化因子-15 特异性地增加小胶质细胞中的胰岛素降解酶表达,从而减少体外细胞模型和 AD 模型小鼠脑实质的 A 斑块29。脑组织中各种细胞和物质之间相互串扰,当 AD 中 A 水平以及神经炎症减少时,脑血管功能也得到一定程度的改善,这其中的具体机制仍有待于进一步探索。三、人工修饰的外泌体与 AD 血管损伤外泌体的功效与其携带的物质有关,通过人工干预的手段将“货物”装载到外泌体,可进一步增强外泌体的治疗效果。miR-21 可通过抑制 p53/Bcl-2/Bax 信号转导减少神经元死亡,防止缺血损伤。Cui等22通过缺氧预处理骨髓间充质干细胞使 BMSC-Ex 中 miR-21 表达增高,应用这种处理后的外泌体可减轻神经炎性反应和保护 AD 模型小鼠的脑血管功能。miR-146a 与糖酵解、线粒体呼吸、线粒体转运和细胞凋亡相关。在炎性细胞因子的作用下,血管内皮细胞内 miR-146a 的表达降低而其外泌体中miR-146a 显著增高。来自脉络丛或骨髓的间充质干细胞的外泌体高表达 miR-146a 可以通过减轻炎性反应缓解 AD 小鼠神经功能障碍,同时在这个过程中小鼠血管再生的内环境也得到改善30。P-糖蛋白是血管内皮细胞表达的一种 ATP 依赖性外排转运蛋白,可将 A 从大脑运输到外周。P-糖蛋白在病理性 BBB 中的表达低于正常,影响了 A 的清除。根据这种特性,Pan 等31研究发现,携带 P-糖蛋白的脑血管内皮细胞外泌体可以有效地修复体外 BBB 模型的功能损伤,促进 A 的清除并改善 AD 模型小鼠的认知障碍。另外,Wang 等32用巨噬细胞产生的外泌体装载姜黄素,发现其更容易被脑血管内皮细胞内化并穿过 BBB,从而更有效地发挥姜黄素抑制 tau 磷酸化缓解 AD 模型小鼠的神经血管损伤。人工修饰的外泌体能够更好地发挥药物和外泌体的特点。因此,合理利用外泌体进行物质递送实现靶向给药为治疗 AD 及其血管病变提供了可行的策略。四、展望AD 是一种严重的中枢神经系统退行性疾病,目前在临床上仍然缺少有效的针对性治疗方法。脑血管损伤是 AD 的常见病理表现,也是其临床症状发生和发展的原因之一。研究不同来源的外泌体在 AD的脑血管损伤中发挥的作用对寻求 AD 治疗方法有重要意义。然而,外泌体的功能和状态随着其所处的环境发生变化,因此揭示外泌体的作用机制的过程仍存在许多困难。近年来的研究显示,外泌体可以穿过BBB 装载特定“货物”,如核酸、蛋白质、脂质、药物等进入大脑,是一种有潜力的治疗药物。外泌体疗法在动物和细胞实验中取得了一定的进展,但如何将外泌体临床化应用仍然是一个难题。因此,关注脑血管损伤对 AD 造成的影响,对外泌体在其中发挥的作用机制进行深入的研究和探索,对治疗 AD 具有重大意义。利益冲突声明:所有作者均声明不存在利益冲突。参考文献1 2022 Alzheimers disease facts and figures J.Alzheimers Dement,2022,18(4):700-7892 Porter KN,Sarkar SN,Dakhlallah DA,et al.Medroxyprogesteroneacetate impairs amyloid beta degradation in a matrix metalloproteinase-22医学前沿J Med Res,April 2024,Vol.53 No.49 dependent manner J.Front Aging Neurosci,2020,12:923 Hosseinzadeh S,Noroozian M,Mortaz E,et al.Plasma microparticlesin Alzheimers disease:the role of vascular dysfunction J.MetabBrain Dis,2018,33(1):293-2994 Busatto S,Morad G,Guo P,et al.The role of extracellular vesiclesin the physiological and pathological regulation of the blood-brainbarrier J.FASEB Bioadv,2021,3(9):665-6755 Andrs IE,Garcia-Contreras M,Yanick C,et al.Extracellular ves-icle-mediated amyloid transfer to neural progenitor cells:implica-tions for RAGE and HIV infection J.Mol Brain,2020,13(1):216 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