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外泌体在支气管哮喘发病机制中的作用

来源:中华结核和呼吸杂志 2020-02-21 12:43

 

支气管哮喘(哮喘)是一种常见的慢性气道炎症性疾病,这种慢性炎症反应是由肺结构细胞(如上皮细胞、成纤维细胞及内皮细胞等)、炎症细胞(如嗜酸粒细胞、肥大细胞、嗜中性粒细胞及T-淋巴细胞等)和炎性介质等共同参与、相互作用的结果。外泌体是纳米大小由膜包绕的囊泡,其可通过旁分泌等途径在细胞间传递信息并调节受体细胞功能。近年的研究结果显示,外泌体参与哮喘的炎症反应,诱导炎症细胞的迁移,提示其在哮喘的发生、发展中发挥作用。本文拟从外泌体的结构和功能入手,阐述其在哮喘发病机制中的作用。

一、外泌体的结构和作用

外泌体是多泡体(MVB)与细胞膜融合后释放到细胞外空间30~150 nm大小的囊泡,由多种类型的细胞分泌,其中包括免疫反应细胞,如B和T淋巴细胞、树突状细胞(DC)、肥大细胞(MC)、上皮细胞、单核巨噬细胞及嗜酸粒细胞等。此外,其他类型细胞,如网织红细胞、血小板、小胶质细胞和肿瘤细胞也会产生外泌体[4]。由于来源的多样性,外泌体存在于多种体液中,包括血液、尿液、唾液、BALF和鼻腔灌洗液。

外泌体的结构通常包含四跨膜蛋白(CD63、CD81和CD9)、跨膜受体(结合素β1和β2)、膜转运蛋白、特异性蛋白、信号转导蛋白和核酸(miRNA, mRNA, DNA)等。一旦进入细胞外空间,外泌体就被相邻细胞吸收或进入血液循环到达远处靶点,释放其内的遗传物质、蛋白质和脂质介质等,调节受体细胞的活性[4]。这说明外泌体在细胞间信号转导中发挥重要作用。因此,外泌体涉及广泛的生物学过程,例如免疫调节、炎症、癌症进展和转移等。外泌体的一个重要特征是其特异性蛋白取决于来源的细胞或组织,并根据生理或病理条件而有所不同。如结肠上皮来源的外泌体含有特异性蛋白A33[12];DC衍生外泌体分泌具有抗原递呈功能的主要组织相容性复合物Ⅰ(MHC Ⅰ)和主要组织相容性复合物Ⅱ(MHC Ⅱ)类分子。正因为这种特征,不同细胞来源的外泌体具有不同的功能。如DC衍生外泌体可激活CD4+T细胞和CD8+T细胞并诱导特异性免疫反应[14];鼻腔灌洗液中外泌体可在体外诱导单核细胞、中性粒细胞和NK细胞等免疫细胞的迁移。

二、外泌体在哮喘发病机制中的作用

哮喘的本质是气道的慢性炎症,涉及此过程的多种炎症细胞和肺结构细胞均能释放外泌体,引起其他哮喘相关细胞的激活或抑制,增强炎症反应。Ca?as等[8]发现哮喘患者中嗜酸粒细胞来源的外泌体数量增多,这些外泌体诱导炎性介质产生,破坏气道中的正常细胞和组织,并增强嗜酸粒细胞迁移和黏附。Torregrosa Paredes等[9]研究发现哮喘患者BALF中外泌体的表面表达支气管上皮细胞黏蛋白1,提示这些外泌体来源于支气管上皮细胞。它们不仅能诱导支气管上皮细胞产生趋化因子(CXCL)8和白三烯(LT)C4,还能增强未分化的肺巨噬细胞的增殖[3]。以上研究结果说明,炎症细胞和肺结构细胞产生的外泌体参与调节哮喘的慢性炎症反应。

1.炎症细胞来源的外泌体:

嗜酸粒细胞因产生、储存和释放一系列炎性介质而在哮喘中具有重要作用,这些炎性介质包括趋化因子、脂质介质和细胞毒性颗粒蛋白等[15]。Mazzeo等[16]发现与健康受试者相比,哮喘患者的嗜酸粒细胞释放更多的外泌体。这些外泌体不仅诱导嗜酸粒细胞产生更多的趋化因子、活性氧(ROS)和一氧化氮(NO),还通过上调黏附分子如细胞间黏附分子1(ICAM-1)和整合素α2的表达,增强嗜酸粒细胞的迁移,而来自健康受试者的嗜酸粒细胞衍生外泌体不会影响嗜酸粒细胞功能[8]。这表明哮喘发作时嗜酸粒细胞衍生的外泌体除增加嗜酸粒细胞的促炎能力,产生更多的活性氧物质外,还促进嗜酸粒细胞向炎症部位迁移。此外,Del Pozo等[17]将支气管平滑肌细胞与哮喘患者嗜酸粒细胞衍生外泌体共培养或单独培养,发现与外泌体共培养时,转化生长因子β(TGF-β)、基质金属蛋白酶9(MMP-9)及血管内皮生长因子(VEGF)的基因表达量上调,而上述因子在哮喘气道重塑中发挥重要作用。这些结果说明嗜酸粒细胞衍生外泌体不仅参与调节哮喘气道炎症,还在哮喘气道重塑中发挥作用。

T淋巴细胞和B淋巴细胞是哮喘的关键参与者。B淋巴细胞衍生的外泌体表达MHC Ⅱ类分子、共刺激分子(CD40、CD80和CD86)和跨膜受体[18],提示其可以特异性地将抗原肽递呈给T细胞并诱导T细胞应答。Admyre等从桦树花粉过敏患者的B细胞中分离外泌体,发现这些外泌体能结合桦树花粉致敏原Betv1并诱导T细胞增殖,且这种增殖呈剂量依赖性。此外,其还能刺激T细胞产生Th2型免疫应答,释放高水平的IL-4、IL-5、IL-13以及低水平的干扰素γ(IFN-γ)、肿瘤坏死因子α(TNF-α)。这说明B细胞来源的外泌体可作为T细胞的独立"抗原提呈结构"并诱导其免疫应答,而不需要抗原提呈细胞(APC)参与。有研究结果显示T淋巴细胞也可以释放外泌体,但目前T细胞衍生外泌体的生物活性和免疫调节作用尚不清楚。更多的研究集中在其他类型细胞来源的外泌体对T细胞功能的影响,如B细胞衍生外泌体和BALF中外泌体可以通过不同途径刺激CD4+T细胞的活化、增殖,诱导产生Th2型细胞因子。

肥大细胞是过敏反应和Th2型免疫反应中的关键效应细胞。肥大细胞活化可诱导炎性介质如组胺、前列腺素和LT的释放并引发过敏反应。肥大细胞衍生外泌体对其他类型免疫细胞具有下游效应,Li等[21]发现肥大细胞衍生外泌体能诱导DC获得MHC Ⅱ类分子及共刺激分子,促进DC成熟并具备向T细胞抗原递呈的能力,同时其还可调节B细胞和T细胞的活化并产生细胞因子。Xia等研究发现肥大细胞来源的外泌体能诱导人呼吸道平滑肌细胞(ASMCs)释放IL-6和IL-8等细胞因子,加剧气道炎症,使哮喘症状持续存在。这些结果说明肥大细胞衍生外泌体通过影响其他免疫细胞的功能,参与调节哮喘气道炎症。

嗜碱性粒细胞是来源于粒系-单核系祖细胞的颗粒状白细胞,通过影响其他免疫效应细胞来调节免疫反应。血液循环中一般数量很少,但在感染和(或)炎症情况下,其数量增多并募集到感染部位。目前没有研究结果显示嗜碱性粒细胞能产生外泌体,但有学者提出嗜碱性粒细胞能释放类似外泌体的颗粒,这可能与细胞的胞吐作用有关。

树突细胞是免疫系统中的特殊效应细胞,它们处理抗原并递呈给T细胞,同时具有吞噬死亡细胞和病原体的能力,从而介导先天免疫。树突细胞衍生的外泌体跟DC一样含有MHC Ⅰ类和MHC Ⅱ类分子,能刺激T细胞应答,或被其他APC捕获以诱导免疫应答。Vallhov等研究发现从对猫过敏的受试者获得的DC衍生外泌体可诱导猫过敏供体者外周血单核细胞中的IL-4反应,而在健康供体者中未观察到相关反应。这说明DC衍生外泌体除具有抗原递呈能力外,还可携带过敏原并导致过敏性炎症,提示携带过敏原的外泌体可能是过敏性免疫应答中的重要免疫刺激因子,也是免疫治疗中的重要靶标。此外,DC衍生外泌体在体外具有功能酶活性并在炎症中发挥潜在作用。Esser等[7]发现DC衍生外泌体的酶促能力可将LTsA4转化为LTB4和LTC4,并通过花生四烯酸代谢物如5-酮二十碳四烯酸、LTB4等诱导粒细胞向炎症部位迁移和募集,而这些炎性介质在哮喘的发生、发展中起关键作用。

2.肺结构细胞来源的外泌体:

哮喘的病理生理改变以气道炎症、支气管收缩、黏液高分泌和气道重塑等为特征,其中涉及的关键肺结构细胞有ASMC、杯状细胞和上皮细胞。目前没有研究结果显示ASMC和杯状细胞能分泌外泌体,但有研究报道其他类型细胞来源的外泌体可对气道平滑肌细胞产生影响。Xia等研究发现肥大细胞衍生外泌体可通过ICAM-1黏附于ASMC,诱导ASMC释放细胞因子和趋化因子,从而导致肥大细胞募集,哮喘症状持续存在,而肥大细胞衍生外泌体的减少能减轻这种刺激反应。Vargas等用脂多糖刺激从马血液中分离的中性粒细胞,提取出外泌体并与马ASMC共培养,发现这些外泌体能调节细胞凋亡并诱导ASMC增殖,促进气道重塑。气道上皮细胞来源的外泌体携带黏蛋白和唾液酸等分子,其不仅与先天防御有关,还可调节气道炎症。Kulshreshtha等发现哮喘小鼠模型中,支气管上皮细胞衍生外泌体的数量及外泌体相关蛋白含量更高,同时IL-13增强支气管上皮细胞衍生外泌体的分泌,这些外泌体能诱导未分化巨噬细胞的增殖和趋化。而外泌体抑制剂GW4869可减少单核细胞的增殖并减轻气道高反应性、黏液分泌及气道炎症。这说明气道上皮细胞衍生外泌体携带一系列与炎症调节有关的分子,通过诱导单核细胞增殖并促进细胞因子产生来增强气道炎症。

三、外泌体在哮喘诊治中的应用前景

近年的研究结果显示,外泌体可作为一种新型的疾病诊断标志物和理想的药物载体,主要因为:(1)不同细胞来源的外泌体具有不同的特异性蛋白和核酸,能间接反映来源细胞的生理状态和微环境;(2)外泌体具有脂质双层膜结构,能保护其内容物不被酶降解,稳定存在于胞外环境,且能靶向特定细胞或组织;(3)外泌体广泛存在于多种体液中,易于收集检测。在疾病诊断方面,Mazzeo等发现哮喘患者嗜酸粒细胞衍生外泌体数量高于正常对照组,且在INF-γ刺激后,外泌体相关蛋白表达量升高,提示嗜酸粒细胞来源外泌体中相关蛋白可能是哮喘诊断生物标志物。此外,Lev?nen等]研究发现与健康人群相比,哮喘患者BALF中外泌体含有24种差异表达的miRNA,其中包括Let-7,而Let-7在哮喘中起负性调节作用,这说明外泌体中miRNA亦可能是哮喘的诊断标志物。在治疗方面,研究结果显示间充质干细胞(MSC)来源的外泌体不仅具有抗细胞凋亡和抗炎特性,还具有加速伤口愈合和肺组织再生的能力[24],这说明它们可能减轻气道慢性炎症和气道重塑。在ARDS的动物模型中,MSC衍生外泌体通过诱导损伤肺泡中表达角质化细胞生长因子来减少肺部炎症,从而改善肺蛋白的渗透性[25]。此外,外泌体抑制剂GW4869可以减少BALF中Th2型细胞因子的表达及嗜酸粒细胞数量,从而减轻哮喘的气道炎症反应。这些结果表明外泌体治疗哮喘的可行性,其可能成为哮喘传统治疗的替代方案,特别是重度哮喘,但仍需要进一步的研究明确外泌体治疗在不同表型及严重程度哮喘中的作用和安全性。

综上所述,外泌体已成为生物医学研究的重要领域,其在哮喘的慢性气道炎症中发挥促炎作用,并通过细胞旁分泌等途径参与介导细胞间信号转导、细胞分化及炎症因子释放等发病过程。但目前关于外泌体在哮喘炎症中信号通路转导的机制研究较少。此外,由于外泌体含有特异性蛋白,在循环中稳定性高及靶向性强,其在疾病诊断及治疗方面具有巨大优势,但目前外泌体的研究尚处于起步阶段,关于外泌体诊断疾病的敏感度、特异度以及治疗的安全性等,还需要进一步的研究。(生物谷Bioon.com)


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