综合论述
细胞外囊泡涵盖微囊泡、外泌体以及凋亡小体,其作为旁分泌的媒介在细胞间信息交互中发挥着关键作用,而外泌体是细胞外囊泡中最为关键的类别。外泌体能够源自众多不同种类的细胞,在诸如免疫调节、细胞凋亡、癌症转移等多种生理与病理进程里均有着极为重要的影响力。鉴于外泌体具备靶向精准、可长期稳定储存、易于采集、体积微小、不会引发宿主细胞排斥反应且适宜作为药物载体等显著优势,其在肺部疾病治疗方面的应用前景十分可观。微 RNA(microRNA,miRNA)属于小型非编码 RNA,是基因组极为重要的调节成分,并且在细胞通讯进程里占据着不可或缺的地位,能够对疾病的病理生理状况予以改善。本文着重探讨了外泌体 miRNA 在数种常见肺部疾病当中,作为诊断依据、治疗手段以及预测预后的生物标记物所蕴含的潜在价值。

1.外泌体概述
外泌体属于一类细胞外分泌物,其尺寸范围处于 30 至 150 纳米之间。最初是在血小板中被察觉,后续研究发现它广泛存在于各类生物体的细胞里。外泌体的释放过程包含三个阶段:在起始阶段,质膜向内凹陷从而形成早期内体;接着进入第二阶段,借助内体分选复合体的作用,早期内体进一步演变为多泡体;到了第三阶段,多泡体与质膜相互融合,进而释放出外泌体。外泌体被释放后,会在受体细胞的引导之下或者通过体液运输的方式抵达远处位置。外泌体内部包含丰富多样的成分,像脂质、蛋白质、核酸 miRNA 等均在其中,并且其分子构成在极大程度上会受到供体细胞的类型、表观遗传的变化以及各种生理与病理环境条件的左右。外泌体能够凭借融合以及(或者)内吞作用进入靶细胞,借助细胞间通讯机制来调控靶细胞的功能状态。
2.外泌体miRNA
外泌体 miRNA 的探索之旅起始于 20 世纪 90 年代,起初其被视作毫无价值的物质。然而,随着研究的逐步深入,人们惊异地发现外泌体所含的 miRNA 长度在 20 至 25 个核苷酸之间,且具备极为关键的生物学功能。外泌体 miRNA 能够与信使 RNA 上的互补配对位点相结合,以此充当基因表达的转录后调控因子,于细胞之间传递信息,肩负诸多重要的生物学使命。不仅如此,外泌体 miRNA 还深度涉足肺部疾病领域,像急性肺损伤(ALI)、肺癌、慢性阻塞性肺疾病(COPD)以及新型冠状病毒感染(COVID - 19)等病理生理进程中均有它的身影。
外泌体那独特的磷脂双分子层构造宛如一层坚固的护盾,守护着 miRNA 免遭降解厄运,从而保障 miRNA 得以稳定表达。相较于循环 miRNA,外泌体 miRNA 能够更为精准地折射细胞的生理状况,故而有望成为肺部疾病在诊断、治疗以及预后判断方面极具潜力的生物标志物。尽管目前已确凿证实外泌体 miRNA 参与了炎症、细胞生长、血管新生、免疫调节以及细胞增殖、分化、凋亡等一系列生物学过程,但其具体的作用机制依旧犹如一团迷雾,尚未完全明晰。因此,未来的研究工作应当将重心聚焦于外泌体 miRNA 在生物学进程中的调控机制、它与各类疾病之间千丝万缕的联系以及其在临床应用场景中潜藏的巨大价值之上。
3 .外泌体miRNA与肺部疾病
3.1 ALI / 急性呼吸窘迫综合征(adult respiratory distress syndrome, ARDS)
ALI 作为 ARDS 的前期阶段,其病理特征表现为肺血管内皮以及肺泡上皮细胞遭受损伤,肺泡毛细血管通透性增大,进而引发肺水肿与肺透明膜的形成。临床症状主要体现为进行性呼吸困难以及顽固性低氧血症,病情危重的患者往往伴有较高的病死率。从一方面来看,外泌体能够承载不同物质(例如 miRNA),并借此对肺泡细胞以及肺组织产生作用;从另一方面来讲,外泌体可凭借多种信号通路对 ALI/ARDS 起到保护功效。在 ALI/ARDS 情境下,外泌体 miRNA 可能作用的关键靶向通路包含信号转导和转录激活因子 3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)、磷脂酰肌醇 3 激酶(phosphoinositide 3 - kinase, PI3K)/ 蛋白激酶 B(protein kinase B, Akt)、丝裂原激活蛋白激酶和核因子 - κB(nuclear factor - κB, NF - κB)等。
相关研究显示,多数外泌体 miRNA 对 ALI 具有改善作用。比如,外泌体所传递的 miR - 30b - 3p 能够降低受体肺泡上皮细胞中血清淀粉样蛋白启动子的表达,推动肺泡上皮细胞的增殖并抑制其凋亡过程,从而发挥对肺损伤的保护作用。源自人脐带间充质干细胞外泌体的 miR - 451,可通过靶向 Toll 样受体 4/NF - κB 通路,增强自噬并抑制炎症因子的表达,以此缓解 ALI。据研究报道,内皮祖细胞外泌体中的 miR - 126 能够靶向下调 Sprouty 相关 Ena/VASP 同源 1 域蛋白,激活有丝分裂原活化蛋白激酶(RAF / 胞外信号调节激酶)通路,进而改善脂多糖诱导的 ALI。外泌体 miR - 124 - 3p 可借助多个下游靶点来施展其功能:与 Toll 样受体 3 相互作用、与嘌呤能受体 P2X 配体门控离子通道 7 相结合以发挥抗炎效果。另有研究发现,当外泌体 miR - 155 作用于肺泡巨噬细胞时,会激活 NF - κB 并作用于含 SH2 结构域的下位靶点,致使白细胞介素 - 6 和肿瘤坏死因子 - α 的表达增加,加剧肺组织的炎症反应。在 ALI/ARDS 中,大部分外泌体 miRNA 能够通过多种信号通路发挥保护肺损伤的作用。
3.2 肺 癌
肺癌可划分为小细胞肺癌与非小细胞肺癌(non - small cell lung cancer, NSCLC),其中 NSCLC 在所有病例中占比约达 85%。NSCLC 涵盖了几种亚型:肺腺癌、肺鳞癌以及大细胞癌。常用于诊断肺癌的技术有经支气管或经胸穿刺活检术、CT 等。组织活检术在肿瘤的动态监测方面存在困难,而 CT 则存在假阳性率高、特异性低以及使健康人群暴露于辐射等风险。外泌体 miRNA 作为肺癌细胞与其他细胞之间信息交换的关键媒介,属于液体活检的检测对象之一,具备操作简便、重复性佳、微创以及能够有效克服组织活检局限性等优势。
有研究指出,外泌体 miR - 26b - 5p 可降低激活转录因子 2 的表达,增强肺腺癌细胞对 X 射线的敏感性。研究人员对 NSCLC 患者血清外泌体 miR - 126 的表达水平进行观测后发现,无论是疾病早期还是晚期,其水平均显著上调,miR - 126 作用于整合素 α - 6 启动子抑制蛋白表达,从而降低肿瘤细胞的恶性程度并抑制肿瘤生长。另有研究证实,血清外泌体 miR - 96、miR - 106b 与肺癌分级以及远处转移呈正相关,miR - 96 通过靶向抑制 LIM 域蛋白 7 表达,增强肿瘤细胞对顺铂的耐药性。外泌体 miRNA 通过激活 RAS - 丝裂原激活蛋白激酶通路和 PI3K 通路参与肿瘤细胞对奥西替尼的耐药过程,血清外泌体中 miR - 184 和 miR - 3913 - 5p 表达水平的增加表明癌细胞对奥西替尼产生耐药,其中 miR - 3913 - 5p 与 TNM 分期、血小板计数、肿瘤标志物癌胚抗原密切相关。来自肿瘤细胞的外泌体 miRNA 会干扰 T 细胞代谢与免疫反应,并增加肿瘤微环境中细胞因子的产生。外泌体 miR - 433 可通过阻断细胞周期、增加非小细胞肺癌中 CD4 和 CD8 细胞的浸润来抑制肿瘤发生。此外,miR - 433 通过靶向 NSCLC 中的跨膜 p24 运输蛋白 5 使 Wnt/β - catenin 信号通路失活。外泌体 miR - 532 - 5p 能够下调 CC 基序趋化因子受体 4 以抑制肺癌细胞的侵袭和转移。外泌体来源的 miR - 187 可通过下调成纤维细胞生长因子 9、细胞周期蛋白 D1、细胞周期蛋白依赖性激酶 4/6 的表达水平来抑制癌细胞的生长。
外泌体长链非编码 RNA(long noncoding RNA, lncRNA)/miRNA 轴可作为肺癌患者预后的分子特征。外泌体 lncRNA H19 通过下调 miR - 615 - 3p 增强自噬相关蛋白 7 表达,致使肿瘤细胞对埃罗替尼产生耐药。lncRNA SNHG6 降低 miR - 101 - 3p 表达从而上调染色质域 Y 样蛋白,导致 NSCLC 患者预后不良。lncRNA CCAT1 降低 miR - 218 的表达,进而上调其下游靶基因 B 细胞特异性小鼠白血病病毒整合位点 1,致使肺癌细胞的恶性程度增加。lncRNA PRNCR1 降低 miR - 126 - 5p 的表达以提高异粘蛋白水平,促进肺肿瘤细胞凋亡并减缓肺癌进展。lncRNA BCYRN 降低 miR - 149 表达以提高丙酮酸激酶 M2 型同工酶水平,导致肺肿瘤细胞的糖酵解并促进肿瘤进展。经典 Wnt 信号通路(Wnt/β - catenin)的激活可通过诱导上皮细胞 - 间充质转化显著增强肺癌转移,lncRNA 可通过调节 miRNA 间接影响 Wnt 信号转导。例如,lncRNA SNHG1 通过 miR - 140 - 5p 下调诱导 Wnt/β - catenin 信号转导,加速 NSCLC 进展和顺铂耐药。lncRNA MIR210HG 通过减少 miR - 874 水平,过度表达 STAT3,促进 NSCLC 生长。lncRNA MALAT1 通过下调 miR - 124 诱导 STAT3 信号转导,以促进肺癌进展。lncRNA ZNF281 可下调 miR - 221 表达以诱导磷酸酶和张力蛋白同源物信号转导,显著增加顺铂的细胞毒性,减缓 NSCLC 进展。这些研究表明,多数外泌体 miRNA 直接或间接通过 lncRNA/miRNA 轴参与肺癌发生发展的进程,同时在一定程度上能够预测肺癌患者的预后。
3.3 COPD
COPD 是极为常见的慢性肺病之一。其特征在于因反复暴露于有害环境刺激而引发肺部慢性炎症反应,最终导致肺功能逐渐丧失,具体表现为不可逆、进行性的气流受限以及反复的气道炎症。当前 COPD 的治疗手段仅能延缓肺功能的丧失,无法逆转肺结构与功能的恶化。在 COPD 疾病的发展进程中,COPD 患者会产生大量外泌体,并且可从痰、血浆、支气管灌洗液中分离获取。研究证实,外泌体所含的 miRNA(如 miR - 101、miR - 223、miR - 144、miR - 1274a)与部分 lncRNA 和蛋白质能够通过影响 COPD 发病相关的分子途径(如 Kras、Notch、Smad 和 TGF - β)发挥治疗作用。
外泌体 miRNA 可通过调节肺气肿、气道重塑等方面来影响 COPD 的发生发展。肺气肿的特点是气道弹性降低、过度膨胀以及末梢细支气管肿胀。有研究对 COPD 患者与健康非吸烟者的外泌体 miRNA 进行比较后发现,COPD 患者外泌体 miR - 125b 和 let7C 的表达低于健康非吸烟者。在对轻度和中度 COPD 患者肺组织外泌体 miRNA 表达的评估中,中度肺气肿患者样本中的 5 种 miRNA 显著下调,即 miR - 34c、miR34b、miR - 149、miR - 133a 和 miR - 133b。同时,外泌体与气道重塑紧密相连。长期的有害刺激致使气道上皮细胞受损,推动上皮细胞的表型改变,并引发纤维化和气道重塑。研究表明,香烟烟雾诱导 miR - 210 下调,促进气道重塑中成纤维细胞的分化,并抑制自噬相关蛋白 7 的表达,从而直接调控自噬过程。
有研究对比了吸烟者、COPD 患者和健康对照者的血清外泌体 miRNA 后发现,前两者的 miR - 21 水平均显著升高,且其水平增加与第 1 秒用力呼气量 / 用力肺活量中用力呼气量的百分比密切相关。这表明外泌体 miRNA 不仅参与 COPD 发生、发展的病理生理过程,同时与患者的临床表现也有着紧密联系。
3.4 COVID - 19
新型冠状病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS - CoV - 2)作为 COVID - 19 的致病因子,是一种阳性单链 RNA,该病毒隶属于冠状病毒家族,其基因组包含 4 个一级结构蛋白:刺突(S)、包膜(E)、膜(M)和核壳蛋白(N)。正在开展的疫苗开发试验多基于灭活或减毒病毒、单肽或病毒载体,目前针对 SARS - CoV - 2 的疫苗仅聚焦于 S 蛋白。现有的 COVID - 19 疫苗存在诸多弊端,例如无法提供长期保护、保护性免疫力有限等,这表明有必要研制安全有效的疫苗以实现长期免疫。外泌体因具备低免疫原性、高生物相容性以及天然货物装载能力等一系列特性,为 COVID - 19 疫苗的开发提供了一种全新策略。
SARS - CoV - 2 能够致使外泌体 miRNA 发生变化,COVID - 19 患者的血浆中存在与健康人不同的外泌体 miRNA 谱系,如 miR - 21 - 5p 和 miR - 146a - 5p,这些 miRNA 与免疫反应和炎症相关,从而减轻 COVID - 19 引发的肺损伤。另有研究显示,外泌体 miR - 124 可抑制病毒复制,缓解 COVID - 19 的严重程度。这些研究提示,SARS - CoV - 2 借助外泌体 miRNA 的传递,影响肺泡上皮细胞的基因表达和功能,进而影响肺部炎症反应。
与当前现有的 COVID - 19 疫苗相比,装载了 miRNA 的外泌体疫苗能够引发对 N 蛋白和 S 蛋白持久的细胞反应和体液反应,且产生较少的不良反应。间充质干细胞来源的外泌体在 COVID - 19 中起作用的 miRNA 包括 miR - 145、miR - 126、miR - 199a、miR - 221、miR - 27 和 Let - 7f。外泌体携带的 miRNA 一方面使得抗原递呈细胞在其表面产生较少的与主要组织相容性复合体相关的抗原分子,从而减少效应 T 细胞的活化;另一方面介导巨噬细胞、自然杀伤细胞、T 细胞和 B 细胞抑制感染。
4 .展望
本文对外泌体 miRNA 介导细胞间通讯的相关情况予以了总结。其在诸多肺部疾病的发生与发展进程里占据着极为关键的地位,正因如此,外泌体 miRNA 在 ALI、肺癌、COPD 以及 COVID - 19 等疾病的诊断与治疗方面展现出良好的适用性。
近年来,运用外泌体 miRNA 来开展肺部疾病的诊断与治疗已然成为研究热点领域。不过,当前依旧缺乏重复多次、大样本且多中心的临床研究成果。即便存在这些不足之处,但从长远来看,外泌体 miRNA 作为肺部疾病的诊断标志物,以及在治疗与预测预后等方面所具有的潜在价值依然十分巨大,未来发展前景广阔。
资料格式:
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