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【专家论坛】循环外泌体微小RNA:动脉粥样硬化性心血管疾病新型标志物

本文转载自 中华检验医学杂志

文章来源:吴嘉, 汪俊军. 循环外泌体微小RNA:动脉粥样硬化性心血管疾病新型标志物 [J] . 中华检验医学杂志, 2021, 44(7) : 558-562. DOI: 10.3760/cma.j.cn114452-20210401-00205.




摘要

心血管系统不同来源的外泌体微小RNA(miRNA)参与调控血管生成、心肌重塑、炎症反应、斑块破裂等过程,并有望成为动脉粥样硬化性心血管疾病(ASCVD)新型液体活检标志物,可评估与监测ASCVD病情进展,具有作为ASCVD疗效监控新靶标的潜能。该文阐述近年来外泌体miRNA在ASCVD检验医学领域的最新研究,并对循环外泌体miRNA研究趋势及应用前景进行了展望。





细胞外囊泡(extracellular vesicles,EV)几乎存在于所有体液中,内含蛋白质、脂质、核酸、糖类及代谢物等成分,根据直径大小、来源及生成方式可分为外泌体、微粒和凋亡小体三类。目前,心血管领域EV的研究主要集中于外泌体中非编码RNA的作用机制和临床价值方面。微小RNA(microRNA,miRNA)是近年来被研究最为深入的信号分子;根据ExoCarta外泌体数据库(http://www.exocarta.org),已发现至少2 838种外泌体miRNA。


外泌体miRNA可通过调控氧化应激、炎症反应、动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)及血栓形成等多种病理生理过程,从而与AS性心血管疾病(cardiovascular disease,ASCVD)的发生、发展密切相关。心血管系统来源的外泌体miRNA有望成为ASCVD新型液体活检标志物,在检验医学领域具有重要的科学价值和应用潜能。


一、外泌体miRNA参与ASCVD病情进展的变化机制

心血管系统多种细胞类型在生理或病理状态下均可释放外泌体miRNA;不同来源的外泌体,内含miRNA的组成及含量不同,靶向受体细胞后产生的影响也不尽相同。心脏主要由心肌细胞构成,最丰富的非心肌细胞以心脏成纤维细胞为代表;微血管内皮和平滑肌细胞在维持心脏、血管动态平衡中发挥重要作用;单核/巨噬细胞系统、血小板与AS斑块发生、进展及血栓形成密切相关。ASCVD发生、发展过程中,心脏、血管组织细胞的病理变化,可改变其外泌体miRNA的组成及含量;针对心血管系统外泌体miRNA的生物学功能研究,将为进一步开发ASCVD液体活检靶标提供新方向。


1. 心脏组织来源外泌体miRNA:冠状动脉AS病变可影响冠状动脉循环血流,造成心肌缺血缺氧,导致心肌损伤甚至梗死。最初研究发现,低氧刺激可增加心肌细胞外泌体产生;之后陆续有文献指出,缺氧心肌细胞可分泌富含miRNA-30a、miRNA-152-3p和miRNA-let-7i-5p等的外泌体,通过靶向调控自噬或凋亡相关蛋白的表达,影响心肌细胞应对缺氧损伤的反应1, 2];同样源自缺氧心肌细胞的外泌体还高表达miRNA-222和miRNA-143,可引发内皮细胞的血管生成反应,从而改善心肌梗死后的新生血管形成3]


心肌重塑是心肌梗死或压力超负荷引发的病理变化,可导致心肌肥大与心肌纤维化,最终引发心力衰竭;心肌细胞与成纤维细胞之间可通过外泌体miRNA相互作用,进而影响心肌重塑过程。如缺氧或血管紧张素Ⅱ均可诱导心肌细胞来源的外泌体中miRNA-208a、miRNA-217等表达上调,通过靶向促进成纤维细胞的增殖或分化,导致心肌纤维化发生4, 5];又如肿瘤坏死因子α可刺激成纤维细胞分泌富含miRNA-27a、miRNA-28-3p和miRNA-34a的外泌体,通过靶向Nrf2信号通路来调节心肌细胞的抗氧化酶水平,促进心肌细胞肥大反应6]


来源于心脏组织的外泌体miRNA是心肌应对氧化应激和炎症反应的信号分子,在心肌细胞或心脏其他类型细胞中进行有效传递,参与调控心肌损伤后的血管生成和心肌重塑机制;心脏外泌体miRNA可能是评估心脏修复关键过程的潜在靶标。


2. 血管组织来源外泌体miRNA:在AS进程中,内皮细胞可释放多种细胞生长因子并分泌外泌体miRNA,介导与周边其他细胞之间的沟通。氧化低密度脂蛋白(oxidized low density lipoprotein,oxLDL)可诱导内皮细胞释放富含miRNA-155的外泌体,通过调控单核细胞活化和巨噬细胞炎性分化,参与AS进程7]。同样,oxLDL还可诱导内皮细胞释放富含miRNA-505的外泌体,通过靶向增加嗜中性粒细胞活性氧水平,促进AS发展8]


平滑肌细胞是构成血管壁结构并维持血管张力的主要细胞之一,其结构和功能的改变是导致AS发生、发展的重要因素;平滑肌细胞和内皮细胞之间的相互作用对维持血管壁组织动态平衡起着关键作用。过表达剪切型XBP1或血小板衍生生长因子BB均可诱导平滑肌细胞来源的外泌体中miRNA-150表达上调,通过靶向PI3K/Akt信号通路来促进内皮细胞迁移,调节血管壁内稳态9]。但过表达KLF5的平滑肌细胞则会分泌富含miRNA-155的外泌体,能够抑制内皮细胞的增殖和迁移,调节微血管通透性10]


心脏微血管屏障系统中内皮细胞及平滑肌细胞来源的外泌体miRNA,与炎症反应、内皮功能障碍等AS早期始动环节密切相关,可影响心脏血管微环境的稳态,有望成为监测AS进程的重要分子指标。


3.循环血细胞外泌体miRNA:单核/巨噬细胞系吞噬过氧化脂质成为泡沫细胞,是AS早期脂质条纹形成的关键。oxLDL可刺激单核细胞分泌富含miRNA-106a-3p的外泌体,通过靶向调控caspase信号通路,增强平滑肌细胞活力并抑制其凋亡,促进AS发展11]。此外,巨噬细胞的两极化分型可通过对炎症反应的调控,直接影响AS的后期进展。新近研究显示,在心肌梗死微环境的刺激下,促炎M1型巨噬细胞可分泌高表达miRNA-155的外泌体,通过靶向内皮细胞功能与代谢相关的信号通路,降低内皮细胞增殖迁移和血管生成能力,从而抑制心脏修复、促使心脏重构12];而抗炎M2型巨噬细胞可分泌高表达miRNA-148a的外泌体,通过靶向心肌细胞NLRP3炎性体信号通路,减轻心脏的缺血再灌注损伤13]


血小板在AS斑块破裂、血栓形成等过程中起着关键作用。活化血小板来源的外泌体包含多种具有调节内皮细胞及平滑肌细胞功能的miRNA。如活化血小板可释放富含miRNA-25-3p的外泌体,通过靶向Adam10介导的NF-κB信号通路,抑制oxLDL诱导的冠状动脉内皮细胞炎症反应,从而减缓AS进程14]。相反,活化血小板来源的外泌体miRNA-126,可促进内皮细胞的增殖和迁移,影响AS斑块内血管生成,进而引发斑块内出血或血栓形成15]。此外,活化血小板来源的外泌体miRNA-223、miRNA-339和miRNA-21,也可靶向下调血小板衍生生长因子受体β的表达,抑制平滑肌细胞的增殖和迁移并促进其凋亡,导致斑块的不稳定16]


可见,循环血细胞也可通过释放外泌体miRNA,介导与心血管系统其他类型细胞之间的信息沟通,参与AS斑块形成、进展的调控机制,影响AS斑块的稳定性;源自循环血细胞的外泌体miRNA具备作为急性血栓事件预测因子的潜能。


二、循环外泌体miRNA作为ASCVD病情监测标志物的临床价值

来源于心血管系统不同细胞类型的外泌体miRNA,其组成及含量包含了心脏、血管组织生理或病理变化的多重生物学信息,因此有望成为ASCVD液体活检的新靶标。


近年来,已有多项临床研究17, 18]显示,不同类型CVD患者均存在特征性的循环外泌体miRNA表达谱,且特定miRNA水平变化与AS病变严重程度及进展密切相关。


1. 稳定性冠心病:急性心血管事件发生之前,AS斑块常稳定数年,探索敏感且特异的AS早期标志物对CVD防控工作具有重要意义;Zhang等19]报道,稳定性冠心病患者血清外泌体miRNA-942-5p、miRNA-149-5p和miRNA-32-5p水平明显升高,有助于早期AS病变的检测。


2. 急性冠状动脉综合征(acute coronary syndrome,ACS):AS斑块破裂导致血栓形成是ASCVD死亡主要原因,及时鉴别与诊断是改善急危重患者临床结局的首要核心;有证据表明,在不稳定心绞痛、急性心肌梗死等ACS患者的血清或血浆中,多种外泌体miRNA水平发生改变,不仅与AS病变严重程度、心功能分级以及心肌肌钙蛋白水平等相关,还可预测急性心血管事件的再发风险,可作为ACS病情评估及风险预测的可靠指标20, 21, 22, 23]


3. 心力衰竭:作为各类心血管病发展的终末阶段,心力衰竭实验室检验的重点在于对患者病情变化的动态监测;有文献指出,心力衰竭患者多种血清或血浆外泌体miRNA水平的明显变化,与心脏收缩、舒张功能参数以及心肌纤维化指标等相关,能反映心脏结构、功能的改变,有助于患者的病情监测及预后评估24, 25]。可见,与传统ASCVD生物标志物相比,循环外泌体miRNA的优势体现在对稳定性冠状动脉疾病的早期检测、对ACS的病情评估及风险预测、对心力衰竭的动态监测及预后评估等方面,为现有ASCVD实验室检验的提供了有力补充,具有重要的临床应用价值。


既往大部分循环miRNA研究多分析的是miRNA在血清或血浆中的总体水平,但对于不同存在形式和来源的循环miRNA,其功能及临床应用价值是否存在差异,仍缺少系统性、深入性的比较与分析26]。外泌体miRNA因被脂质双分子层包裹,不易被体液中的核酸酶降解,性质相对稳定,可更精准地靶向受体细胞发挥生物学功能,也更能反映出疾病的进程及转归;因此,与游离miRNA相比较,应更具液体活检靶标的优势,临床应用前景可观。Emanueli等27]报道,在接受冠状动脉旁路移植术的患者中,术后48 h的血浆外泌体miRNA-1、miRNA-24、miRNA-133a/b水平升高,且与心肌肌钙蛋白呈正相关;但上述miRNA在血浆中的总体水平却与心肌肌钙蛋白无明显相关性。由此可见,循环外泌体miRNA的水平分析与循环总体miRNA相比较,能更好地反映疾病的严重程度,是极具转化价值的ASCVD病情评估标志物。


三、外泌体miRNA作为ASCVD疗效监控靶标的潜能

外泌体具有良好的生物相容性、屏障通透性以及较低的免疫原性、低毒性,是miRNA发挥靶向生物学功能的重要载体28, 29]。研究显示,源自心脏间充质干细胞的外泌体miRNA,可通过刺激心肌细胞的原位增殖和活化,诱导心脏梗死组织的再生30, 31];源自CD34+/CD133+造血干细胞以及心脏祖细胞的外泌体miRNA,可通过引发内皮细胞的血管生成反应,抑制心肌纤维化的发生32, 33, 34]。然而,目前基于外泌体miRNA的ASCVD靶向生物治疗,大多处于初步实验阶段,尚未开展相关的临床试验;且外泌体miRNA与其他信号分子、代谢物等之间的相互作用,以及不同体内递送方式的药代动力学等问题,仍有待后续研究的探讨。


文献报道,源自心肌缺血患者冠状动脉血血清的外泌体,可促进后肢缺血小鼠模型缺血组织的血管再生,这与缺氧心肌细胞来源外泌体中miRNA-939-5p的下调有关35];源自心力衰竭患者外源性心脏基质细胞的外泌体,可导致心肌梗死小鼠模型心脏功能的进一步恶化及左心室重构,这可能与心力衰竭的病理状态下调了心脏来源外泌体中miRNA-21-5p的含量有关36]。随着外泌体miRNA在ASCVD靶向生物治疗领域的发展,进一步探讨治疗中或治疗后ASCVD患者外泌体特定miRNA水平变化,加强对ASCVD患者病情进展的实时监测,可为ASCVD疗效评估提供新的可行方案,进而指导临床医生优化现行治疗策略。


从检验医学的角度出发,ASCVD患者外泌体miRNA水平检测,能实时反映ASCVD发生、发展的病情进展;外泌体miRNA还可作为一种ASCVD精准治疗的新手段,为临床ASCVD疗效监控、伴随诊断提供新的检测靶标,这也是ASCVD精准检验的另一重要发展方向。


四、展望

随着检验医学领域精准诊疗理念的不断发展与进步,基于循环外泌体miRNA的液体活检新策略,能更好地反映心血管系统病理生理过程的动态变化,已然成为ASCVD标志物研究最具临床转化潜能的靶标。


然而,由于循环外泌体分离、提取方法的多样化,其鉴定尚无公认、可行的标准,且miRNA检测结果分析的归一化方法难以统一,不同研究之间同种疾病的循环外泌体miRNA表达谱仍存在较大的差异,导致实际应用受到限制。此外,现有的循环外泌体miRNA临床研究大多为回顾性病例对照研究,主要探讨循环外泌体miRNA对ASCVD鉴别诊断和病情监测的价值;而前瞻性队列研究较少,循环外泌体miRNA在ASCVD风险评估、疗效监控、伴随诊断等方面的应用潜能仍有待进一步验证,且其用于不同类型ASCVD或与其他相似疾病区分的敏感性和特异性也需进一步综合分析。


因此,未来后续研究一方面应致力于发展可精准检测循环外泌体miRNA水平的高新技术,使不同实验室研究结果具有可比性;另一方面应着眼于不同来源循环外泌体miRNA的应用价值,通过开展多中心、大样本的长期队列研究,以阐明循环外泌体miRNA作为ASCVD液体活检标志物的优势与特点,最终为实现ASCVD精准诊疗提供强有力的保障。



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