外泌体在创伤性脑损伤中应用的研究进展

刘梦龙,周 馨,段海真

1.遵义医科大学附属医院急诊科，贵州 遵义 563003; 2.达州中医药职业学院，四川 达州 635000

全世界每年约有500万人遭受创伤性脑损伤(traumatic brain injury,TBI)，且男性多于女性，每年因TBI导致的经济损失超过4 000亿美元[1]。TBI常见病因包括钝器伤、穿透伤、加速及减速伤、爆炸伤等[2]，这些损伤对大脑引起不同程度的损害。目前针对TBI尚无有效的治疗方法。因此，需针对TBI后神经损伤探索新的治疗方向。外泌体是多种细胞均可分泌，直径50～150nm的脂质双分子膜囊泡，与其起源的细胞具有相同的拓扑结构，通过携带蛋白质、脂类以及核酸等生命物质反映起源细胞的状态，在生理条件和病理条件下参与复杂的细胞间信号传导[3]。近年来研究发现外泌体能有效通过血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)[4]，在改善脑卒中、阿尔兹海默病、糖尿病等引起的认知功能障碍中起重要作用[5-7]，但外泌体在TBI后神经损伤中的作用及机制尚待明确，因而需要进一步探究外泌体在TBI后神经损伤中的作用及机制，为寻求TBI后神经功能损伤新的治疗策略提供一定的理论依据。

TBI后复杂的分子变化及细胞炎症物质将介导一系列免疫反应。TBI包括原发性损伤和继发性损伤两个阶段[8]，当受到严重损伤时，强大的撞击力或穿透力导致脑损伤处细胞瞬间死亡，引起原发性损伤；
由于BBB结构及功能遭到破坏、神经血管单元组成的细胞功能障碍，引起级联炎症反应、氧化应激及神经递质异常释放等病理过程，继而引起继发性脑损伤[9]；
由继发性脑损伤引起的中枢神经系统(central nervous system,CNS)细胞代谢紊乱和低氧等不良事件[10]，增加患者死亡的风险。

BBB是由星形胶质细胞尾足、周细胞以及内皮细胞紧密连接形成,TBI后BBB渗透性增加，导致颅内外分子交换出现障碍[11-12]。小胶质细胞作为CNS中的前哨细胞，是损伤后的第一反应者，迅速参与免疫反应。小胶质细胞存在两种表型，即M1和M2型，两种表型的小胶质细胞参与TBI后的继发性损伤。其中M1型小胶质细胞释放促炎因子、趋化因子等介质破坏颅脑的神经修复，进而引起慢性神经炎症；
M2型小胶质细胞释放抗炎因子、生长因子、转化生长因子-β 等有益分子[9,13]。相关研究[13-14]已证实TBI后能通过将小胶质细胞由M1表型极化为M2表型的方法来减轻炎症反应，促进神经恢复。此外，星形胶质细胞也是大脑的常驻细胞，脑损伤后星形胶质细胞增生、迁移，参与脑损伤后的炎症反应；
同时还与小胶质细胞相互作用，协同释放各种生长因子，促进TBI后神经修复[9,15]。研究发现小胶质细胞、星形胶质细胞这两类细胞参与TBI后神经修复的机制可能与外泌体有关，因而笔者聚焦于外泌体在TBI后的神经修复作用进行探讨。

大脑中几乎所有细胞均能分泌外泌体，根据来源细胞不同主要分为神经元源性外泌体(neruon-derived exosomes,NDEs)、小胶质细胞源性外泌体(microgila-derived exosomes,MDEs)、星形胶质细胞源性外泌体(astrocytes-derived exosomes,ADEs)。以上细胞源性外泌体均可通过作用于小胶质细胞引起其M1表型向M2表型极化，从而改善TBI的症状。相较于CNS的固有细胞源性外泌体，外周间充质干细胞源性外泌体(mesenchymal stem cells-derived exosomes，MSCs-exo)在TBI发生、发展及修复过程中的作用被更多关注。有研究[16]已证实MSCs-exo可减少继发性神经退行性病变及神经炎症，促进神经新生和血管再生，改善运动功能。以下将围绕上述不同细胞来源的外泌体阐述其在TBI中的作用和机制(表1)。

表1 不同细胞来源的外泌体治疗TBI的机制

2.1MSCs-exo 间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)是一种自我更新能力较强的多能干细胞，大量动物实验证实MSCs在TBI后神经功能恢复中具有重要的促进作用，而近年来有研究表明这些作用与外周MSCs-exo有关[16-17]。多个研究[18-20]证实予TBI小鼠体内注射骨间BMSCs-exo后，其脑内小胶质细胞由M1表型极化为M2表型增加，神经炎症减轻，脑损伤面积减小，神经功能改善。Zhang等[20]发现除抑制神经炎症，BMSCs-exo另具增加海马细胞数量、促进神经修复及血管生成的重要作用。此外，另有研究[21]证实脂肪间充质干细胞源性外泌体与BMSCs-exo有类似治疗作用，小鼠在TBI后24h向其脑室内注射脂肪间充质干细胞源性外泌体，可抑制核因子-κB(nuclear factor-κ-gene binding，NF-κB)和p38丝裂原活化蛋白激酶(p-38 mitogen-activated protein kinase，p38MAPK)信号通路，促进小胶质细胞M1表型向M2表型转化，从而减轻神经炎症。Williams等[22-24]也发现TBI的猪模型在早期给予BMSCs-exo治疗可有效改善其早期神经功能，减小脑损伤面积，缓解脑水肿，其机制证实与BMSCs-exo下调神经炎症和反应性胶质细胞增生相关基因表达相关。上述体内体外研究证实MSCs-exo在TBI后治疗中有促进小胶质M1表型向M2表型极化的作用，有利于神经保护和减少免疫应答。此外，外泌体治疗TBI的研究已发展至大型动物，展现出对TBI后神经损伤治疗的巨大潜力。MSCs引起的神经组织修复及功能改善的作用机制主要基于其旁分泌效应，而非MSCs本身的作用[18]。MSCs移植后会产生免疫反应、血栓栓塞、肿瘤增殖等风险[25]，但MSCs-exo是否也存在这些不良事件的风险却不得而知。因此，要最终实现临床转化尚需长期的、系统的体内外研究以明确MSCs-exo体内注射的安全性后再逐步进行。

2.2NDEs NDEs能改善TBI后神经症状。有研究[26]将神经元和小胶质细胞在体外共同培养，结果发现NDEs携带的miR-21-5p能被小胶质细胞吞噬，继而诱导小胶质细胞向M1表型极化，使炎症因子释放增加，同时也使β-淀粉样蛋白集聚，引起神经元凋亡。此外，NDEs中携带的miR-21-5p能直接靶向抑制神经元Rab11a3’UTR区域的翻译，减少Rab11a3介导的神经元自噬[27]。因此是否能通过避免miR-21-5p被小胶质细胞吞噬，同时促进miR-21-5p的直接靶向作用来减少神经元自噬，改善TBI后的神经损伤，还需更进一步的研究。上述实验证明了NDEs有治疗TBI后神经损伤的潜力，但目前关于NDEs衍生的外泌体研究较少，尚需进一步探索。

2.3MDEs MDEs具有促进神经修复和改善认知障碍的作用。近期一项研究[28]通过基因本体论和京都基因与基因组百科全书富集分析预测MDEs搭载的miR-124-3p的靶点并加以验证，结果表明MDEs搭载的miR-124-3p靶向调节磷酸二酯酶4B，激活下游哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路，促进神经元轴突的生长，有利于神经功能恢复；
MiR-124-3p还能靶向抑制NF-κB亚基V-Rel网状内皮增生病毒癌基因同源物蛋白(recombinant V-rel reticuloendotheliosis viral oncogene homolog A,RelA)，使载脂蛋白E的表达上调，促进β-淀粉样蛋白分解，防止TBI后发展至阿尔茨海默症等神经退行性病变[29]。此外，MDEs搭载miR-5121直接靶向调节神经元中的排斥性引导分子a的表达，促进神经生长和突触恢复，改善TBI后小鼠的运动协调能力，逆转TBI后的神经损伤[30]。

2.4ADEs 研究表明ADEs在TBI后促进神经修复，可能与其含有神经营养特性的蛋白质如磷酸化应激诱导蛋白(stress-inducible protein 1， STI1)等有关[31]。不仅如此，Long等[32]通过微小RNA全基因组微阵列分析发现在ADEs中有135种微小RNA上调，其中miR-873a-5p上调最为明显，miR-873a-5p的表达上调抑制了TBI后小胶质细胞NF-κB炎症信号通路的激活，致使小胶质细胞表型极化，从而减轻小胶质细胞介导的神经炎症。此外，ADEs不仅能通过减弱间隙连接蛋白43磷酸化，进而保护线粒体、降低细胞病死率[33]，而且ADEs被神经元摄取后，其搭载的缝隙连接蛋白α1截短单体-20k下调凋亡相关基因的表达，减少损伤神经元中的线粒体收缩，减轻损伤后神经元的树突损伤[34]。综上，ADEs在TBI后具有促进神经修复、减轻小胶质细胞介导的神经炎症、保护线粒体、抑制神经元凋亡的重要作用，因而在TBI后神经损伤治疗中有巨大潜力。

2.5其他细胞源性的外泌体在TBI中的治疗作用 除以上细胞外，研究者发现其他细胞源性外泌体也有治疗TBI后神经损伤的作用。有研究[35]从人脐血来源的内皮细胞集落形成细胞培养基中分离出外泌体，于TBI后2h通过小鼠尾静脉注射到体内，结果发现大脑低氧相关基因表达下降，如磷酸酶及张力蛋白同源物等，并诱导蛋白激酶B磷酸化，抑制下游凋亡信号通路的激活，从而减轻神经细胞凋亡，同时有利于维持BBB的通透性，减少TBI后脑水肿的形成。另有研究[36]认为人类脱落乳牙干细胞源性外泌体(stem cells from human exfoliated deciduous teeth-orginated exosomes，SHED-exo)对TBI后神经损伤也有一定的治疗效果。在体外将小胶质细胞与SHED-exo共培养，发现M1表型标志物基因表达水平显著下降，而M2表型标志物基因表达水平升高，则表明SHED-exo在TBI后能促进小胶质细胞M1型向M2型极化，减轻神经炎症，改善神经功能。综上所述，多种细胞源性外泌体有治疗TBI后神经损伤的潜力，但目前外泌体治疗TBI后神经损伤仅存在于动物实验中，并未大量转化为临床试验，所以外泌体在人体中的作用以及相应不良事件还需要进一步探索。

外泌体是细胞间通讯的重要介质，与生命活动息息相关。由于能有效透过BBB，作为疾病发生发展的重要信号基础，在CNS疾病中发挥重要作用。目前外泌体在TBI中的应用已有了初步探索，具有抑制神经炎症和凋亡、改善神经重塑等调控作用。这些研究主要集中于MSCs衍生的外泌体，而中枢神经系统固有细胞神经元、星形胶质、小胶质相对较少，由于锚定在不同细胞来源的外泌体的表面分子不同，因而对受体细胞的作用及发挥的功能各异。接下来的研究还需长期探索，进一步探讨TBI后中枢神经系统固有细胞间的外泌体信号交流机制,为TBI的临床诊治提供新的治疗切入点可能是未来研究的重点。

作者贡献声明：刘梦龙：选题设计、文章撰写；
周馨：资料分析及文献整理；
段海真：文章审校

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