外泌体在糖尿病心肌病中的作用机制和临床应用的研究进展_孙庆.pdf

安 徽 医 药 Anhui Medical and Pharmaceutical Journal 2023 Aug，27（8）therapy J.Cancer Cell，2021，39（9）：1202-1213.15PEVZNER AM，TSYGANOV MM，IBRAGIMOVA MK，et al.Abscopal effect in the radio and immunotherapy J.Radiat Oncol J，2021，39（4）：247-253.16URIBE-HERRANZ M，RAFAIL S，BEGHI S，et al.Gut microbiota modulate dendritic cell antigen presentation and radiotherapy-induced antitumor immune response J.J Clin Invest，2020，130（1）：466-479.17JANG BS，CHANG JH，CHIE EK，et al.Gut Microbiome composition is associated with a pathologic response after preoperative chemoradiation in patients with rectal cancer J.Int J Radiat Oncol Biol Phys，2020，107（4）：736-746.18RIQUELME E，ZHANG Y，ZHANG L，et al.Tumor microbiome diversity and composition influence pancreatic cancer outcomesJ.Cell，2019，178（4）：795-806.19OH B，EADE T，LAMOURY G，et al.The gut microbiome and gastrointestinal toxicities in pelvic radiation therapy：a clinical review J.Cancers（Basel），2021，13（10）：2353.20YAHYAPOUR R，MOTEVASELI E，REZAEYAN A，et al.Reduction-oxidation（redox）system in radiation-induced normal tissue injury：molecular mechanisms and implications in radiation therapeutics J.Clin Transl Oncol，2018，20（8）：975-988.21SONIS ST.The pathobiology of mucositisJ.Nat Rev Cancer，2004，4（4）：277-284.22LIU J，LIU C，YUE J.Radiotherapy and the gut microbiome：facts and fiction J.Radiat Oncol，2021，16（1）：9.23FISCHER JC，BSCHEIDER M，EISENKOLB G，et al.RIG-I/MAVS and STING signaling promote gut integrity during irradiation-and immune-mediated tissue injuryJ.Sci Transl Med，2017，9（386）：eaag2513.24RIEHL TE，NEWBERRY RD，LORENZ RG，et al.TNFR1 mediates the radioprotective effects of lipopolysaccharide in the mouse intestineJ.Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol，2004，286（1）：166-173.25GERASSY-VAINBERG S，BLATT A，DANIN-POLEG Y，et al.Radiation induces proinflammatory dysbiosis：transmission of inflammatory susceptibility by host cytokine inductionJ.Gut，2018，67（1）：97-107.26CUI M，XIAO H，LI Y，et al.Sexual dimorphism of gut microbiota dictates therapeutics efficacy of radiation injuriesJ.Adv Sci（Weinh），2019，6（21）：1901048.DOI:10.1002/advs.201901048.27WANG Z，WANG Q，WANG X，et al.Gut microbial dysbiosis is associated with development and progression of radiation enteritis during pelvic radiotherapyJ.J Cell Mol Med，2019，23（5）：3747-3756.28MITRA A，GROSSMAN BIEGERT GW，DELGADO AY，et al.Microbial diversity and composition is associated with patient-reported toxicity during chemoradiation therapy for cervical cancerJ.Int J Radiat Oncol Biol Phys，2020，107（1）：163-171.29REIS FM，ANDREYEV HJN，MOHAMMED K，et al.Microbiota and radiotherapy-induced gastrointestinal side-effects（MARS）study：a large pilot study of the microbiome in acute and late-radiation enteropathy J.Clin Cancer Res，2019，25（21）：6487-6500.30DING X，LI Q，LI P，et al.Fecal microbiota transplantation：a promising treatment for radiation enteritis？J.Radiother Oncol，2020，143：12-18.31MARIA OM，ELIOPOULOS N，MUANZA T.Radiation-induced oral mucositis J.Front Oncol，2017，7：89.32JIANG CL，WANG H，XIA CF，et al.A randomized，double-blind，placebo-controlled trial of probiotics to reduce the severity of oral mucositis induced by chemoradiotherapy for patients with nasopharyngeal carcinomaJ.Cancer，2019，125（7）：1081-1090.（收稿日期：2022-05-26，修回日期：2022-07-09）外泌体在糖尿病心肌病中的作用机制和临床应用的研究进展孙庆1，米庆2a，王璐2b，牟华明2a作者单位：1川北医学院临床医学院，四川 南充637000；2重庆大学附属三峡医院，a心血管内科，b内分泌科，重庆404000通信作者：牟华明，男，主任医师，硕士生导师，研究方向为心血管疾病，Email：摘要：糖尿病心肌病（DCM）是糖尿病最严重的心血管并发症之一，其发病率与日俱增。目前主要发病机制尚不明确。寻找一个敏感可靠的标志物，早诊断、早治疗，是有效延缓DCM发生的重要研究方向。外泌体作为细胞通讯间的关键介质，与糖尿病相关的心肌损伤和血管新生密切相关。现对外泌体在糖尿病心肌病中的作用机制和临床应用等方面进行综述。关键词：外泌体；糖尿病心肌病；作用机制；临床应用；综述引用本文：孙庆，米庆，王璐，等.外泌体在糖尿病心肌病中的作用机制和临床应用的研究进展 J.安徽医药，2023，27（8）：1488-1491.DOI：10.3969/j.issn.1009-6469.2023.08.002.综述1488网络首发时间：2023-07-06 12:40:25网络首发地址：https:/ 徽 医 药 Anhui Medical and Pharmaceutical Journal 2023 Aug，27（8）Research progress on the mechanism and clinical application of exosomes in diabetic cardiomyopathySUN Qing1,MI Qing2a,WANG Lu2b,MOU Huaming2aAuthor Affiliations:1School of Clinical Medicine,North Sichuan Medical College,Nanchong,Sichuan 637000,China;2aDepartment of Cardiovascular,2bDepartment of Endocrinology,Chongqing University Three Gorges Hospital,Chongqing 404000,ChinaAbstract：Diabetic cardiomyopathy(DCM)is one of the most serious cardiovascular complications of diabetes mellitus,and its incidence is increasing day by day.At present,the pathogenesis is not clear.Therefore,finding sensitive and reliable markers,early diagnosis and early treatment are important research directions to effectively delay the occurrence of DCM.Exosomes act as key mediators between cellular communications and are closely related to diabetes-related myocardial damage and angiogenesis.This article reviews the mechanism and clinical application of exosomes in diabetic cardiomyopathy.Key words：Exosomes;Diabetic cardiomyopathy;Mechanism;Clinical application;Review近年来，随着经济的迅速发展及生活方式的转变，我国的成人糖尿病（diabetes，DM）的患病率逐步上升，已达11.9%1。而糖尿病心肌病（diabetic cardiomyopathy，DCM）是糖尿病常见的心血管并发症之一，其特征包括心肌细胞肥大、心肌间质纤维化和心脏舒张功能障碍2-3。糖尿病心肌病的作用机制尚未明确，较为复杂，有研究认为主要与心脏氧化应激、炎症、钙离子通道障碍、心肌细胞凋亡及纤维化、微血管病变等有关4。外泌体（exosomes）是膜外囊泡的一种，直径为30100 nm，1987年于哺乳动物成熟的网织红细胞首次发现5，并广泛存在于人体血液、尿液、唾液、乳汁、支气管肺泡灌洗液、精液、关节液及脑脊液等体液中。目前，我国关于外泌体在糖尿病并发症之一的糖尿病肾病（diabetic nephropathy，DN）中的相关研究并不少见，但关于其在DCM发病机制中的作用的报道却很少6。现对外泌体在DCM中的作用机制和临床应用等方面进行综述。1外泌体的基本概述外泌体是各种活细胞通过主动分泌排出细胞膜外的脂质双分子层小囊泡7，主要由核酸、蛋白质构成。核酸组分有mRNA、miRNA等。蛋白质包含四跨膜蛋白超家族，如CD9、CD63等；以及参与生物功能的分子，如肿瘤易感基因101蛋白、热休克蛋白等8。外泌体在细胞间的通讯中占据重要的地位9。Vorselen等10最近首次描述了外泌体的机械特性。外泌体进入细胞有三种作用方式。进入受体细胞后，“货物”（如小分子药物、蛋白质类、核酸等）被释放到细胞质中，并重新形成多泡体；将“货物”释放进入胞质，但自身与细胞质膜融合；其配体与细胞膜上的特定受体结合，通过信号转导通路与内吞通路，携带“货物”进入细胞11。随着研究的深入，外泌体在干细胞、免疫、靶向给药等领域发挥着越来越重要的作用。2外泌体在DCM中的作用机制研究发现，糖尿病死亡人数80%以上由糖尿病心肌病等心血管并发症引起12。外泌体通过细胞间信息转导参与心血管系统的病理生理过程，其所含的不同物质会对心肌细胞产生不同的影响13。2.1外泌体miRNA与DCM外泌体miRNA是一类非编码的小RNA。miRNA在生理及病理状态下的细胞、组织的调控中有着独特的作用。来自不同实验室的数据显示，糖尿病并发症的发生与某些特定的miRNA在不同组织中的表达水平改变有关系。研究表明，在糖尿病状态下，外体miRNA被受体细胞摄取，参与胰腺细胞损伤和胰岛素抵抗调控过程14，并发挥其生物学功能，从而调节DCM、糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy，DR）、DN等糖尿病相关并发症的发生发展。外泌体miRNA正逐渐成为糖尿病发展的关键调节因子14。其中，miR-133是在研究糖尿病性心脏并发症的进程中第一个发现改变的miRNA。miR-133通过作用于不同的靶基因而控制心肌细胞的肥大，其调节的靶基因有Cdc42（一种信号转录激酶）、Nelf-A/WHSC2（一种与心脏发育相关的核因子）和RhoA（一种控制心肌肥大的GDP/GTP交换蛋白）15。另外有报道miR-146a可通过作用于下游靶基因白细胞介素1受体相关激酶 1（interleukin-1 receptor-associated kinase 1，IRAK1），调控TLR/ILIR炎症信号通路，miR-146a表达降低将进一步抑制血管新生，降低心肌细胞葡萄糖摄入，影响心肌血供和能量代谢，最终导致心室重构和心力衰竭16。2.2热休克蛋白 20介导的外泌体与 DCM热休克蛋白 20（heat shock proteins-20，Hsp20）是热休克1489安 徽 医 药 Anhui Medical and Pharmaceutical Journal 2023 Aug，27（8）蛋白（Hsp）家族中的一种伴侣蛋白。Hsp20具有抗氧化作用，而氧化应激是糖尿病心血管并发症的主要作用机制17-18。Wang等19发现心脏特异性过表达Hsp20可通过调节心肌细胞外泌体的分泌而显著减轻糖尿病所致的心功能障碍和心室重塑，心脏中Hsp20水平的升高可以预防糖尿病心肌病，这也与保护性外泌体分泌增加有关。其次，作者还发现Hsp20通过与Tsg101（一种已知的激活外泌体生物发生/释放的因子）直接相互作用来促进心肌细胞外泌体的生成。外泌体进一步通过自分泌与旁分泌方式，减轻糖尿病所致心肌损伤。2.3外泌体 Mst1 蛋白与 DCMMst1（mammalian sterile 20-like kinase 1）作为参与细胞凋亡和自噬等途径中的关键蛋白质，在由糖尿病引起的心脏并发症中发挥着重要的作用。处于心肌内皮细胞的外泌体Mst1蛋白主要通过抑制葡萄糖的摄取，导致能量代谢异常，进而引起一系列病理改变20。糖尿病病人持续的高血糖状态会对身体多个部位组织器官造成继发性损伤。Hu等21研究表明，糖尿病心脏微血管内皮细胞（CMECs）在高血糖环境下更容易受到影响，其释放的外泌体携带着Mst1蛋白，它能够激活一系列放大心肌细胞损伤的级联反应。心肌细胞接受信号后会导致自噬进一步减少而加剧细胞凋亡，导致心功能进行性下降。此外，外泌体Mst1蛋白还能抑制高糖培养心肌细胞的GLUT4膜转位，导致葡萄糖摄取减少21。3外泌体在DCM中的临床应用外泌体含有大量核酸、蛋白质，可在疾病的不同阶段被识别，并且具有很强的稳定性，可以作为糖尿病心肌病的生物标志物。无论是在早期诊断、还是在治疗靶点等方面都具有重要的研究价值。有证据显示高浓度的miR-133可以抑制心肌肥大，而通过使用 miRNA 抑制剂使 miR-133 表达降低后能显著引起心肌肥大22。另一方面，已经有研究发现，与普通 2 型糖尿病病人相比，尿源性外泌体miR-877-3p 在糖尿病肾病病人体内有差异性表达（2倍）23。因此，通过检测血液中或者尿液中的外泌体miRNA，可能在DCM的早期诊断中也发挥关键作用24。此外，也可以通过联合检测 miRNA-133、miRNA-146a、miRNA-34a等多种外泌体miRNA来提高对糖尿病心肌病诊断的特异性。外泌体广泛、稳定地存在于循环系统体液中，其不仅通过严密的分选机制将细胞内的RNA、蛋白质传递至心肌细胞发挥作用，还可以作为药物运载工具及治疗载体25。2015年的一项研究24发现，通过移植来源于间充质干细胞外泌体能显著提高心肌细胞的存活率，防止心肌细胞受损，促进新生血管生成，并改善心脏功能。黄然然等26 也发现来源于脐带间充质干细胞外泌体对糖尿病模型小鼠心肌纤维化的保护作用。Lin等27进一步研究发现骨髓间充质干细胞来源的外泌体通过抑制转化生长因子-Smad1/2信号通路改善糖尿病心肌损伤和纤维化。目前也有研究表明，外泌体在糖尿病心肌病中的治疗作用可能有以下几种机制参与：外泌体诱导干细胞向受损的心肌转运，补充受损心肌28；干细胞来源的外泌体通过血液循环移至受损心肌，参与心肌修复等。各种从干细胞中分离出的外泌体的相关研究证明了其在减少心肌纤维化和改善心功能方面的潜在作用29。动物实验发现，通过沉默糖尿病小鼠心肌微血管内皮细胞提取的外泌体Mst1蛋白30，可以使其对心肌细胞损伤的作用减轻。同时这也表明，针对功能异常的外泌体靶向治疗可能为预防和治疗糖尿病的心血管并发症的发生发展带来新的希望31。4展望与糖尿病相关的相当多的心血管风险表明，针对糖尿病的发病机制，及早采取预防措施可能会在降低心血管并发症死亡率方面取得更大的成功32。而外泌体具有易于分离、免疫原性低、稳定性好、靶向性强等优势，与糖尿病心肌病生理和病理变化密切相关33，被认为是诊断糖尿病心肌病的一个很有前景的分子标志物。目前，精准医疗是一个快速发展的医学领域34。有研究35显示，可以通过测量外泌体 mi-RNA来检测糖尿病心肌病处于什么阶段，从而建立更有效的治疗策略，作出更佳的临床决策。然而，寻找高度灵敏且特异的外泌体检测方法仍然是一项艰巨的挑战。有研究提出了一种基于球形核酸（SNA）的级联信号放大策略，用于高灵敏度的外泌体检测。但目前，外泌体对糖尿病性心肌病的影响的相关临床研究试验数据较少，仍需要花更多时间去探索。应当从外泌体的分离纯化入手，进一步优化外泌体的纯化方法，为后续的鉴定和功能研究提供良好的基础，使外泌体可用于糖尿病心肌病的早期临床诊断和治疗。参考文献1 国家卫生健康委疾病预防控制局.中国居民营养与慢性病状况报告（2020年）M.北京：人民卫生出版社，2021：66.2 奚宁宁，周莉，乔松，等.西格列汀对糖尿病病人心脏舒张功能和心肌纤维化的影响 J.安徽医药，2021，25（5）：1044-1047.3 VOULGARI C，PAPADOGIANNIS D，TENTOLOURIS N.Diabetic cardiomyopathy：from the pathophysiology of the cardiac my1490安 徽 医 药 Anhui Medical and Pharmaceutical Journal 2023 Aug，27（8）ocytes to current diagnosis and management strategies J.Vasc Health Risk Manag，2010，6：883-903.4 JIA G，WHALEY-CONNELL A，SOWERS JR.Diabetic cardiomyopathy：a hyperglycaemia-and insulin-resistance-induced heart disease J.Diabetologia，2018，61（1）：21-28.5 JOHNSTONE RM，ADAM M，HAMMOND JR，et al.Vesicle formation during reticulocyte maturation.Association of plasma membrane activities with released vesicles（exosomes）J.The Journal of Biological Chemistry，1987，262（19）：9412-9420.6 TAO LC，SHI J，YANG XY，et al.The Exosome：a new player in diabetic cardiomyopathy J.J Cardiovasc Transl Res，2019，12（1）：62-67.7 FU S，ZHANG Y，LI Y，et al.Extracellular vesicles in cardiovascular diseases J.Cell Death Discov，2020，6：68.8 JIANG W，WANG M.New insights into the immunomodulatory role of exosomes in cardiovascular disease J.Reviews in Cardiovascular Medicine，2019，20（3）：153-160.9 PHINNEY DG，PITTENGER MF.Concise review：msc-derived exosomes for cell-free therapy J.Stem Cells，2017，35（4）：851-858.10VORSELEN D，VAN DOMMELEN SM，SORKIN R，et al.The fluid membrane determines mechanics of erythrocyte extracellular vesicles and is softened in hereditary spherocytosis J.Nat Commun，2018，9（1）：4960.11TKACH M，THRY C.Communication by extracellular vesicles：where we are and where we need to go J.Cell，2016，164（6）：1226-1232.12PARIM B，SATHIBABU UDDANDRAO V V，SARAVANAN G.Diabetic cardiomyopathy：molecular mechanisms，detrimental effects of conventional treatment，and beneficial effects of natural therapy J.Heart Failure Reviews，2019，24（2）：279-299.13ZHAO S，WANG H，XU H，et al.Targeting the microRNAs in exosome：a potential therapeutic strategy for alleviation of diabetes-related cardiovascular complication J.Pharmacol Res，2021，173：105868.DOI：10.1016/j.phrs.2021.105868.14HE X，KUANG G，WU Y，et al.Emerging roles of exosomal miRNAs in diabetes mellitus J/OL.Clin Transl Med，2021，11（6）：e468.DOI：10.1002/ctm2.468.15王允山，张雅，梁浩，等.miRNAs在糖尿病及其并发症中的作用 J.生理科学进展，2010，41（2）：133-136.16杨开雯，强郑，靳贝芳，等.MicroRNA-146在糖尿病心肌病中的调控作用 J.中国病理生理杂志，2018，34（11）：1947-1952.17郭芬，王晓雪.柚皮苷调控PI3K/Akt/eNOS通路控制2型糖尿病大鼠脑血管内皮氧化损伤的作用探讨 J.安徽医药，2021，25（4）：645-649.18DING M，FENG N，TANG D，et al.Melatonin prevents Drp1-mediated mitochondrial fission in diabetic hearts through SIRT1-PGC1 pathwayJ/OL.Journal of Pineal Research，2018，65（2）：e12491.DOI：10.1111/jpi.12491.19WANG X，GU H，HUANG W，et al.Hsp20-mediated activation of exosome biogenesis in cardiomyocytes improves cardiac function and angiogenesis in diabetic miceJ.Diabetes，2016，65（10）：3111-3128.20SU D，LI Y，GUAN L，et al.Elevated MST1 leads to apoptosis via depletion of YAP1 in cardiomyocytes exposed to high glucose J.Molecular Medicine（Cambridge，Mass），2021，27（1）：13.21HU JQ，WANG SJ，XIONG ZY，et al.Exosomal Mst1 transfer from cardiac microvascular endothelial cells to cardiomyocytes deteriorates diabetic cardiomyopathy J.Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis，2018，1864（11）：3639-3649.22FENG B，CHEN S，GEORGE B，et al.miR133a regulates cardiomyocyte hypertrophy in diabetes J.Diabetes Metab Res Rev，2010，26（1）：40-49.23XIE Y，JIA Y，CUIHUA X，et al.Urinary exosomal microrna profiling in incipient type 2 diabetic kidney disease J.J Diabetes Res，2017，2017：6978984.DOI：10.1155/2017/6978984.24KHAN M，NICKOLOFF E，ABRAMOVA T，et al.Embryonic stem cell-derived exosomes promote endogenous repair mechanisms and enhance cardiac function following myocardial infarction J.Circulation Research，2015，117（1）：52-64.25RUAN XF，LI YJ，JU CW，et al.Exosomes from Suxiao Jiuxin pill-treated cardiac mesenchymal stem cells decrease H3K27 demethylase UTX expression in mouse cardiomyocytes in vitroJ.Acta Pharmacologica Sinica，2018，39（4）：579-586.26黄然然，辛毅，林筝，等.脐带间充质干细胞源外泌小体减轻糖尿病模型小鼠心肌纤维化 J .中国病理生理杂志，2018，34（1）：9-14.27LIN Y，ZHANG F，LIAN XF，et al.Mesenchymal stem cell-derived exosomes improve diabetes mellitus-induced myocardial injury and fibrosis via inhibition of TGF-1/Smad2 signaling pathway J.Cellular and Molecular Biology，2019，65（7）：123-126.28JU C，SHEN Y，MA G，et al.Transplantation of cardiac mesenchymal stem cell-derived exosomes promotes repair in ischemic myocardium J.Journal of Cardiovascular Translational Research，2018，11（5）：420-428.29熊永红，夏中元.外泌体在糖尿病心肌损伤中的作用研究进展 J.中华实用诊断与治疗杂志，2018，32（10）：1030-1033.30蔺杰.Mst1 在糖尿病心肌微血管损伤中的作用及机制研究D.西安：第四军医大学，2017：68-70.31GOVINDAPPA PK，PATIL M，GARIKIPATI VNS，et al.Targeting exosome-associated human antigen R attenuates fibrosis and inflammation in diabetic heart J.FASEB Journal，2020，34（2）：2238-2251.32CANTO EDAL，CERIELLO A，RYDN L，et al.Diabetes as a cardiovascular risk factor：An overview of global trends of macro and micro vascular complications J.European Journal of Preventive Cardiology，2019，26（2_suppl）：25-32.33NGUYEN BY，AZAM T，WANG X.Cellular signaling cross-talk between different cardiac cell populations：an insight into the role of exosomes in the heart diseases and therapyJ.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2021，320（4）：H1213-H1234.34RAJBHANDARI J，FERNANDEZ CJ，AGARWAL M，et al.Diabetic heart disease：a clinical update J.World J Diabetes，2021，12（4）：383-406.35WANG L，DENG Y，WEI J，et al.Spherical nucleic acids-based cascade signal amplification for highly sensitive detection of exosomes J.Biosens Bioelectron，2021，191：113465.DOI：10.1016/j.bios.2021.113465.（收稿日期：2022-04-07，修回日期：2022-05-25）1491