外泌体中miRNA与糖尿病发生发展关系研究进展

赵冬冬,王晶晶,薛 可,李 晨,林树梅*

(1.沈阳农业大学动物科学与医学学院，辽宁沈阳 110866；2.阜新高等专科学校农牧系，辽宁阜新 123000)

目前，全世界约有4.25亿糖尿病患者[1]。糖尿病是一种慢性疾病，是由于胰岛素缺乏而导致的血糖异常升高[2]。持续的高血糖会诱导糖尿病的发生，从而降低了患者的生活质量，给全球的卫生系统带来了相当大的负担[3]。2型糖尿病(Diabetes mellitus type 2,T2DM)是糖尿病中最为常见的类型，大约占90%左右，其特点是胰岛素缺乏的同时，伴有胰岛素作用靶组织出现不同程度的胰岛素抵抗，而且大多患者有肥胖症状。除此以外还有其他类型的糖尿病，比如由于β细胞的自身免疫破坏导致的胰岛素绝对缺乏形成的1型糖尿病(Diabetes mellitus type 1,T1DM)、由于β细胞关键的功能基因发生突变导致的年轻的成年发病型糖尿病(Maturity-onset diabetes of the young,MODY),以及成人隐匿性自身免疫性糖尿病(Latent autoimmune diabetes in adults,LADA)等[4]。目前治疗糖尿病药物很难保证血糖的稳态，血糖的波动导致并发症的控制并不理想。因此，提供一种易于检测的生物标志物，尽早的发现血糖的异常波动，有效预防危及生命的并发症的发生发展十分重要。近年来，外泌体(exosomes,Exos)不仅被认为是代谢性疾病的生物标志物，而且与疾病的发病的病因有关[5]。因此，有关糖尿病前期患者外泌体相关研究可能会帮助医学工作者识别出具有患糖尿病风险的病人，并且可以提供患者发病原因的信息。来源于糖尿病患者的外泌体中的miRNA还可以监测病情的发展情况，使人类对于糖尿病有更加深入的了解。近几年，外泌体中的miRNA在糖尿病中作用的研究已经成为热点，这可能会为治疗糖尿病开发出新的治疗药物或是药物的运输载体。

1 外泌体概述

外泌体是一种双层膜分泌型的细胞器，直径约在30 nm～200 nm之间，与细胞具有相同的拓扑结构，其包含了蛋白质、脂质以及不同种类的核酸，包括信使RNA(messenger RNA,mRNA)、微小RNA(microRNA,miRNA)和其他非编码RNA(non-coding RNA,ncRNA)[6]。外泌体以囊泡运输形式进行细胞间信息沟通，协调细胞间的功能，从而在人类健康和疾病的许多方面发挥着重要作用，包括发育、免疫、组织动态平衡、癌症和神经系统退行性疾病等，未来外泌体很可能会成为多种疾病模型的治疗物[7]。外泌体存在表面蛋白质，可以通过内吞作用以配体-受体的方式与受体细胞相互作用，从而将物质从一个细胞运送到另一个细胞[8]。例如，骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)、转化生长因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)、TNF相关的凋亡诱导配体、第一凋亡信号配体(first apoptosis signal ligand,FAS)、细胞因子等[9]。外泌体表面还富含多种细胞外基质蛋白(extracellular matrix,ECM)，这些蛋白在细胞间信号转导和转运物质方面也起着重要的作用[10]。一些外泌体蛋白也可以直接与外泌体脂质结合，通过蛋白质的C1C2结构域[11]与外泌体的磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine,PS)结合。总之，外泌体中的包含物通过多种方式与靶细胞发生相互作用，在多种疾病的发生发展中有着重要的意义[12]。

2 外泌体中的miRNA

miRNA是一种17 nt～24 nt小的内源性的非编码RNA，可以稳定地存在于体液中，包括唾液、尿液，母乳和血液。miRNA在外泌体中的作用取得了越来越多的关注，通过循环囊泡传送信息被认为是细胞间通信的第三种方式，这是必不可少的作为细胞对细胞接触依赖性信号传导[13]。Guduric-fuchs等分析了各种细胞系中的miRNA表达水平及其各自的外泌体，并发现miRNA(例如miR-150、miR-142-3p和miR-451)的子集优先进入外泌体中[14]。此外，在不同的生理条件下，外泌体中miRNA表达水平改变。miR-320家族的成员广泛分布于来自正常组织和肿瘤的Exox中[15]。近几年发现存在于外泌体中的miRNA在疾病进展中起重要作用，例如Let-7a、miR-1229、miR-1246、miR-150、miR-21、miR-223和miR-23a，可用作结肠直肠癌的诊断生物标志物[16]。研究表明，miRNA可以被邻近或远处的细胞吸收来调节受体细胞，促进癌症的转移[6]。外泌体中miRNA还参与许多其他细胞生物学功能调控，包括细胞增殖、细胞分化、细胞迁移、疾病起始和疾病进展[17]。

3 外泌体中miRNA与糖尿病

由于不同类型的糖尿病在临床表现上相似，仅凭借血糖值等指标来进行诊断而不加以区分地治疗，效果不尽理想，从而耽误最佳治疗时期。而且即使同一类型的糖尿病在不同患者之间可能也存在很大不同，而糖尿病确诊通常用血糖高于一定阈值来进行诊断，虽然简单而且经济有效，但是不能为医生提供潜在的病情进展信息[2]。外泌体中miRNA作为一种新的生物标志物，可以弥补这一不足。外泌体是在血液和其他液体中由不同细胞分泌的囊泡混合物，更加重要的是，外泌体中miRNA会随着生物体的生理或病理条件而改变[18]。据报道，糖尿病患者血液中外泌体的数量增多，把糖尿病患者的外泌体注射到正常小鼠体内时会导致血管功能发生障碍，表明糖尿病生物体中的外泌体成分发生了改变[19]。在外泌体的各种成分中，miRNA引起了研究者们更多的关注，在许多生物过程中发挥关键作用[20]。相关研究表明，外泌体中miRNA在糖尿病的发生发展过程中成为了新的检测指标，可以作为治疗的靶点和生物标志物。由于在相对较小的样本中就可以检测到，目前为止大多数研究集中在miRNA图谱上[21]。在啮齿动物和人类模型的报告中，miRNA作为各种形式糖尿病的生物标志物，葡萄糖耐量异常与miR-24、miR-30d、miR-34a、miR-126、miR-146和miR-148a有关、疾病发展与miR-122、miR-133、miR-210有关、β细胞损伤与miR-375有关、炎症反应与miR-21-5p有关，疾病发生时他们表达量都会增加[22]。如果外泌体中miR-126降低或者是miR-192和miR-193b增加，代表糖尿病前期的信号，可以对这类人群进行预防性治疗。也可以检测糖尿病患者对于药物治疗后的反应[23]。外泌体中miRNA对于糖尿病的发生发展十分重要，为预防和治疗糖尿病提供新的方向。

3.1 外泌体中miRNA与1型糖尿病

T1DM是自身免疫性疾病，胰岛β细胞与先天或获得性免疫系统之间的复杂相互作用导致的胰岛β细胞不可逆的破坏[24]。随着研究的深入，近年来发现了外泌体与T1DM有着密切关系[25]。一方面，外泌体中携带活化的免疫分子如蛋白质、脂质，可以激活T细胞和B细胞，并诱导β细胞的凋亡，从而促进T1DM的发生发展[26]。在T1DM患者的血清中发现miR-21-5p增加，经过炎症因子处理后的人胰岛细胞会释放出富含miR-21-5p的外泌体，因此miR-21-5p可能是T1DM的生物标志物之一[27]。一项从T1DM患者体内分离的外泌体的全球图谱表明，在长期的T1DM患者中，miR-25-3p上调，miR-16-5p、miR-302d-3p、miR-378a、miR-570-3p、miR-574-5p和miR-579下调[28]。在STZ诱导的β细胞凋亡的T1DM小鼠中，骨髓细胞释放的外泌体中富含miR-106b-5p和miR-222-3p，并且可以使胰岛β细胞再生，更为重要的是静脉注射人工的miR-106b-5p和miR-222-3p模拟物也可以促进β细胞的增殖[29]。这些数据表明，外泌体中某些miRNA可以保护胰岛β细胞，这可能是治疗T1DM的新的靶点。

3.2 外泌体中miRNA与2型糖尿病

胰岛素抵抗是T2DM的主要病理特征，肥胖通常可引发脂肪组织的慢性炎症，最终导致全身性胰岛素抵抗。脂肪组织是一种动态的内分泌器官，通过释放多种激素来调节糖脂代谢，从而调节全身能量平衡[30]。脂肪组织是外泌体的重要来源，脂肪细胞来源的外泌体中miRNA会促进单核细胞分化为巨噬细胞，巨噬细胞会干扰机体中脂肪细胞的胰岛素信号传递，形成恶性循环，引发胰岛素抵抗[31]。而且，脂肪细胞来源的外泌体中的miRNA还可以调节远距离组织(如肝脏)中的基因表达，从而参与胰岛素抵抗的发生[32]。2019年研究者利用核酸适配体介导的纳米复合物递送系统下调骨髓间充质干细胞源外泌体中miR-29b-3p的水平，可缓解老年小鼠的胰岛素抵抗，过表达骨髓间充质干细胞中的miR-29b-3p可诱导年轻小鼠的胰岛素抵抗[33]。研究发现，从肥胖小鼠血浆中分离出的外泌体注射到对照组小鼠体内，经过4周后能够引起葡萄糖耐量异常和血脂异常[34]。T2DM胰岛β细胞的外泌体中miRNA可以转移到邻近的健康的β细胞，从而触发细胞凋亡[35]。另一方面，外泌体中miRNA也很有希望作为T2DM的治疗剂，研究表明，从棕榈酸诱导的T2DM小鼠的股四头肌中分离得到的外泌体，可以在体外促进成肌细胞的复制和胰岛β细胞的增殖，检测结果发现这些外泌体中富含miR-16，这种miRNA是调控胰腺发育的关键因子[36]。外泌体中miRNA在胰岛素敏感性、血糖稳态和血管功能等方面均发挥着重要作用，并参与了T2DM的生理病理过程[37]。

4 小结

糖尿病的治疗给世界各国和个人带来了巨大的经济负担。要提高糖尿病患者的生活质量，还需要应对几个挑战。一方面，及早识别糖尿病高危人群可能是有利于实施预防性治疗的一种方法，以延长健康状态，延缓疾病的出现。另一方面，弄清糖尿病不同的临床表现以及病理生理机制可以使人们能够更好的了解糖尿病，而不仅仅是缓解糖尿病的症状。在过去的几年里，外泌体中miRNA在生理和病理条件下被认为是细胞间通讯的关键介质，使人们对代谢功能障碍的机制有了更深入的了解，使科研工作者们对于疾病的治疗方法取得了重要进展。尽管对于外泌体中miRNA的研究已经取得了许多积极的实用结果，但在将其应用于临床之前，仍有一些主要障碍存在。一方面是对于外泌体中miRNA的分离提取、表征、操作仍然存在一些问题。另一方面是除了预期的影响外，还会产生未知的、不可控制的潜在的有害影响，以及外泌体中miRNA的分子机制大部分还不甚清楚。应该在避免不必要的影响的同时，很好地利用外泌体中的miRNA来治疗疾病。