外泌体在老年认知功能障碍发生发展中的作用

李娜 高宇博倪新莉

宁夏医科大学总医院麻醉与围术期医学科，银川 750004

国际麻醉学与复苏杂志,2023,44(03):323-327.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20221206‑00765

 基金项目 

国家自然科学基金（82260238）；宁夏回族自治区重点研发项目（2021BEG02036）

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【综述】

认知功能障碍主要是指影响注意力、执行力、学习、记忆和感觉的脑功能损伤综合征。随着全球人口老龄化的发展，发生认知功能障碍的老年人日趋增加。认知功能障碍严重者可发展为痴呆，不仅严重危害个人身心健康，还会给家庭和社会带来沉重负担。衰老是认知功能障碍最重要的风险因素，由衰老引起的神经退行性疾病在老年人中最为常见，大量神经毒性物质的释放可诱发进行性神经功能障碍，引起大脑不可逆的损伤，导致认知功能障碍。新近研究发现，外泌体在多种神经系统疾病中发挥重要作用，通过传递宿主细胞内容物调控疾病的发生与发展，影响认知功能障碍的发生与严重程度。

1 外泌体的结构和功能

外泌体是直径为40~160 nm的细胞外囊泡，具有双层膜状结构，其内包含蛋白质、核酸、脂质、代谢物和胞质分子等物质。外泌体的生物发生始于内体系统，在细胞内吞过程中产生的早期内体成熟后，内陷形成的多囊泡体可以与溶酶体或自噬体融合进行降解，或与质膜融合将腔内囊泡释放到细胞外，腔内囊泡在离开细胞时即成为外泌体。

外泌体除具有共同的结构特征外，还存在一定的异质性，主要反映在外泌体的大小、内容物、对受体细胞功能的影响和细胞来源这四个方面。外泌体大小的差异可引起内容物数量的不同；不同的内容物是外泌体具有标记性特征的原因，细胞的微环境和其固有的生物学特性可影响外泌体及其生物标记物的含量；由于细胞表面表达的受体不同，外泌体可以诱导细胞存活或凋亡；基于不同器官和组织来源的外泌体赋予了它们不同的性质。因此，通过调节外泌体的生物发生和异质性可以改变外泌体的组成、功能和可能的靶向，促进或抑制疾病的发生发展。

几乎所有类型的细胞都可以分泌外泌体，而外泌体的异质性决定了其在中枢神经系统中发挥不同的作用。外泌体具有调节物质信息的传递、介导神经炎症反应、参与血管再生等作用。此外，由于外泌体较小的体积和细胞膜样的结构，不同来源的外泌体可以穿过血脑屏障并扩散到整个大脑，促进髓鞘形成、神经突生长和神经元存活，并刺激组织修复和再生，从而改善认知功能。

2 外泌体调节认知功能障碍的机制

2.1　外泌体调节β‑淀粉样蛋白（amyloid β‑protein, Aβ）和tau蛋白在中枢神经系统中的聚集

大脑中Aβ的异常丰度与聚集和过度磷酸化的tau蛋白可扰乱中枢神经系统稳态，引起神经元和神经胶质细胞功能异常，导致认知功能障碍的发生。阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是导致老年认知功能障碍最主要的神经退行性变疾病。

外泌体是调控Aβ和tau蛋白传播的主要途径之一。神经元来源的外泌体（neuron‑derived exosome, NDE）可以在脑组织内短距离传递信号，也可以通过脑脊液在整个大脑内广泛传递信息，或穿过血脑屏障进入外周循环系统。NDE可以捕获并清除AD小鼠大脑中Aβ，这一过程可能是由于NDE中包含的内皮素转化酶（endothelin converting enzyme, ECE）发挥生物活性的作用。ECE蛋白酶家族在体内具有调节胞内抗体库的作用，而NDE是ECE调节抗体浓度的细胞内位点。当ECE的活性被抑制或过度激活时，Aβ前体的积累可转化为Aβ的积累和聚集，增加细胞内外Aβ水平，并随后通过外泌体释放到细胞外空间。血浆NDE内的蛋白水平可反映脑内神经元中Aβ42、T‑tau和P‑T181‑tau蛋白的水平并便于检测，不仅可以准确预测AD发病前痴呆的发展情况，并且血浆NDE中的Aβ42、T‑tau和P‑T181‑tau蛋白在诊断轻度认知障碍和AD方面具有与脑脊液相同的能力，其水平在轻度认知障碍和AD的患者中均升高。小胶质细胞具有调节突触通讯和可塑性，调节离子稳态影响神经元兴奋性，提供代谢支持和调节网络等功能。小胶质细胞具有很强的内化Aβ原纤维和释放外泌体的能力。小胶质细胞既可以摄取含有完整的和去磷酸化的tau蛋白或Aβ的神经元外泌体，从而发挥清除作用，也可由于外泌体的脂质成分促进Aβ外聚集体形成小的可溶性神经毒性物质而增加Aβ的神经毒性。而tau蛋白也可以通过外泌体从小胶质细胞传递到神经元，小胶质细胞的减少或外泌体的抑制均可抑制tau蛋白传播。AD早期的脑脊液中可观察到外泌体中总蛋白水平和磷酸化tau蛋白水平增加。此外，血浆NDE生物标记物P‑S396‑tau蛋白和IL‑6在创伤性脑损伤（traumatic brain injury, TBI）后随着老年患者认知障碍的发生而显著增加，NDE中Aβ42、P‑tau蛋白、朊蛋白和突触结合蛋白‑3在TBI后几十年仍处于较高水平，这可能成为药物开发的有用靶点。因此，靶向外泌体的形成、分泌或细胞摄取可作为改善老年认知功能障碍的潜在治疗靶点。

2.2　外泌体调节微RNA（microRNA, miRNA）在认知功能障碍中的作用

miRNA通过结合信使RNA上的互补配对位点而作为基因表达的转录后调节物，在突触可塑性、神经元发育和细胞存活等生物学途径中至关重要。miRNA是外泌体的重要组成部分，外泌体通过将miRNA包裹在脂质双层膜内，保护转录信息不受细胞外核糖核酸的干扰，并促进转录信息在微环境或远距离进行转移。外泌体miRNA通过调控转录翻译来调节受体靶基因的表达并影响其功能。

外泌体miRNA具有靶向功能，Rani等发现血浆外泌体中大多数miRNA（74个）与年龄呈正相关，但也有13个miRNA与认知评估呈负相关，表明外泌体miRNA介导的调节可能是年龄相关认知功能下降的重要原因。AD患者脑组织中大多数外泌体内miRNA减少，只有少量miRNA增加，而外泌体富集的脑脊液中miRNA的表达却有增加趋势，其中外泌体miR‑9‑5p和miR‑598可以作为AD的潜在生物标志物。Micci等利用从海马干细胞培养物中收获的外泌体鉴定了一组miRNA（miR‑17、miR‑322和miR‑485），它们保护突触免受Aβ诱导的长时程增强抑制和记忆缺陷，揭示了AD治疗的新目标。此外，小胶质细胞衍生的外泌体可通过外泌体中的miR‑124及其下游靶标泛素特异性蛋白酶14减轻缺血性脑损伤并促进神经元存活，外泌体中miR‑124‑3p增加可缓解老年TBI后的神经退行性变并改善认知结果。

除了miRNA，外泌体还可以易位其他类型的非编码RNA，包括长链非编码RNA、核糖体RNA和环状RNA。通过明确这些外泌体非编码RNA在中枢神经系统中产生的变化，可更好地了解认知功能障碍发生的神经生物学机制。

2.3　外泌体调节神经炎症在中枢神经系统中的作用

较高水平的神经炎症是老年认知功能下降的重要危险因素。在感染或机体受到损伤的情况下，适度的神经炎症可以起到神经保护作用，然而当炎症反应被过度激活时则会损害中枢神经系统细胞稳态，增加认知能力下降和神经退化风险。

外泌体对神经炎症过程的调节作用在AD、TBI和围手术期神经认知障碍等疾病中逐渐受到重视。从AD患者血浆中分离的NDE触发了补体级联反应的激活，诱导神经元上的膜攻击复合物表达、质膜完整性破坏、降低神经突密度和神经元细胞活力，导致神经毒性升高。外源性给予骨髓间充质干细胞源性的外泌体可以通过血脑屏障，使AD双转基因小鼠皮质和海马的神经炎症正常化，通过减少星形胶质细胞和小胶质细胞的活化，下调促炎细胞因子（TNF‑α和IL‑1β），并上调抗炎细胞因子（IL‑4和IL‑10），改善学习和记忆能力。Balusu等发现脉络丛的上皮细胞增加了含有促炎性miRNA的外泌体产生，并通过将外泌体释放到脑脊液中，将有关外周炎症状态的信息传递到中枢神经系统中的受体细胞中，以响应增加的全身炎症反应。TBI后脑组织中IL‑1β水平显著增加，在损伤后7 d用人脂肪干细胞源性外泌体治疗可降低IL‑1β在皮质神经元中的信使RNA表达。因此，鼻内给予人脂肪干细胞源性外泌体治疗可促进TBI后的修复和再生，并改善认知和运动能力。肠缺血再灌注（ischemia reperfusion, IR）后肠源性外泌体可以进入大脑并被小胶质细胞吸收，导致神经元丢失、突触衰退和空间记忆受损。抑制外泌体分泌和小胶质细胞激活可以改善海马神经元细胞存活和突触稳定性来减轻肠IR后脑损伤，成为预防术后认知功能障碍的有效途径。此外，外源性肝IR大鼠的血清外泌体也可以透过血脑屏障激活海马和皮质组织中NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3炎症小体和胱天蛋白酶‑1依赖性神经元细胞焦亡，并诱导活性氧和丙二醛的产生，这是肝IR后发生神经元损伤和认知功能障碍的重要原因。Yuan等也发现发生术后谵妄的老年髋部骨折患者血浆外泌体中α‑突触核蛋白的变化显著，且与谵妄得分和IL‑6的变化呈正相关，α‑突触核蛋白的释放可能是由于全身炎症反应引起的。

外泌体调节认知功能障碍的不同机制见图1。

3 外泌体在老年认知功能障碍疾病中的临床应用及前景

外泌体可作为预测老年认知功能障碍的标记物。目前，对于认知功能障碍的患者多采用正电子发射计算机断层显像神经成像或检测脑脊液等有创性检查来提高诊断灵敏度，若能早期采取简便、灵敏度高、特异度强的方法协助发现认知功能障碍，则有助于改善老年患者的预后。外泌体可透过血脑屏障在中枢神经系统与血液循环中穿梭，因此检测血液中的外泌体突出了其在诊断和确定中枢神经系统疾病患者预后中的潜在效用。外泌体中的特异性miRNA可能在认知功能障碍检测中提供预测诊断或预后的潜在作用。从脑脊液和血液中获得的外泌体miRNA对评估老年患者认知功能具有相似的准确性，且与认知功能和疾病进展直接相关。特定的miRNA（miR‑30b‑5p、miR‑22‑3p和miR‑378a‑3p）组合的表达改变能够准确区分AD和健康对照者。此外，脑脊液和血液中外泌体Aβ和tau蛋白也具有较强的相关性，并具有识别和诊断认知功能障碍患者的作用。使用外泌体评估认知功能的时候，需注意区分外泌体的异质性和细胞来源，这些差异可诱导受体细胞产生不同的结果。目前正在考虑将蛋白质、脂质、RNA和miRNA外泌体结合用于老年认知功能障碍诊断和预后评估的可能性。这种多组分组合的方法可能会增强基于外泌体的诊断特异度和灵敏度。

外泌体的大小和内源性生物学特性有利于转运功能性生物分子、维持稳定性和免疫耐受性，使其作为递送药物或治疗的有效载体。目前可使用超声波、挤压、表面活性剂处理、孵育等技术将外源性货物载入外泌体，并通过转染或化学修饰方法在外泌体表面组装配体，诱导或抑制受体细胞中的信号，靶向受体细胞向特定的功能发展。因此，外源性外泌体能够有效地将遗传物质和治疗药物递送到大脑，并诱导中枢神经细胞的靶向功能改变。

研究发现，在AD小鼠脑内注射含有槲皮素的外泌体后，不仅改善了槲皮素的大脑靶向性，显著提高了生物利用度，而且抑制tau蛋白磷酸化并减少不溶性神经原纤维缠结的形成，从而减弱记忆和空间学习缺陷。此外，未经修饰的干细胞外泌体包含的抗氧化剂和Aβ降解酶可通过调节促炎和抗炎细胞因子的表达、中枢神经系统免疫细胞的激活和Aβ的沉积，改善AD小鼠的学习与记忆能力，并抑制与认知功能障碍相关的生物过程。这些发现支持了外泌体作为未来脑靶向性纳米治疗的新型递送载体改善老年认知功能障碍疾病的疗效。

4 展望及小结     

外泌体对中枢神经系统功能的调节起着至关重要的作用。外泌体的鉴定和分离极大地提高了对其基础生物学的理解以及在疾病中的应用。由于外泌体的分离方法在不断发展，为增加测量的可靠性，需考虑进行外泌体提取和分离的标准化，这可有效地揭示它们的功能异质性，避免方法的差异性对结果的影响，并增强其在老年认知功能障碍中的应用。目前关于外泌体在生物学上的研究大部分是使用细胞实验进行探索，随着对外泌体异质性的了解，迫切需要在动物模型中研究外泌体的生物发生、转运和发挥调节稳态或病理功能的作用。此外，仍需进一步研究外泌体调节受体细胞功能改变的调节机制，引起神经炎症改变的外泌体内容物，以及增加或改善老年认知功能障碍的其他肽类物质等。

值得注意的是，目前仍然不知道外泌体与认知功能间的变化是怎样的因果关系。是外泌体分化导致不同的认知改变？还是认知功能的变化继发于外泌体引起的其他生物过程？目前已有许多研究证实通过调节外泌体的方式能够对认知功能障碍起到有效的干预作用，因此，外泌体有望成为神经系统疾病早期诊断的生物标志物和治疗的药物靶点。未来需要设计更多的基础研究和合理的临床研究对外泌体预防和治疗老年认知功能障碍的安全性和有效性进行更为全面的探究。