Cell丨外泌体如何破坏胞外基质引起肺部疾病？

撰文丨程然然

责编丨迦溆

外泌体 (Exosome)是由细胞主动向外分泌的双层囊泡小体，直径介于30至150纳米，由大多数细胞分泌，携带蛋白质、脂质和RNAs等，介导体内不同细胞类型之间的细胞间通讯，从而影响正常和病理状态【1, 2】。随着外泌体研究的兴起，越来越多的证据表明外泌体可携带具有完整酶活性的蛋白酶，然而其功能有待研究【3】。

图片引自：https://cofactorgenomics.com/exosome-rna-seq-primer/

慢性阻塞性肺疾病 (chronic obstructive pulmonary disease，COPD) 是一种以持续气流受限为特征的进行性疾病，其发病率及病死率均较高。据世界卫生组织估计，COPD将在2020年位居全球主要死亡原因第3位及世界疾病经济负担第5位【4】。因此，研究 COPD的发生和发展过程、形态学与功能变化特点，对COPD的治疗具有重要意义。嗜中性粒细胞 (polymorphonuclear leukocyte, PMN) 来源的蛋白酶在某些慢性肺部炎症性疾病中发挥重要作用【5】。蛋白酶-抗蛋白酶失衡学说是COPD发病机制的经典学说之一，当蛋白酶和抗蛋白酶的正常平衡状态被打破，蛋白酶大量释放，导致细胞外基质 (extracellular matrix, ECM) 破坏增加，进而导致COPD和支气管肺发育不良(bronchopulmonary dysplasia，BPD)【5, 6】。在COPD的蛋白酶-抗蛋白酶系统中，活化嗜中性粒细胞 (PMN) 来源的丝氨酸蛋白酶—中性粒细胞弹性蛋白酶 (neutrophil elastase, NE)和内源性抗蛋白酶—α1抗胰蛋白酶 (a1-antitrypsin, a1AT) 发挥着重要作用【7】。然而关于NE是如何绕过a1AT破坏ECM引起肺部疾病的分子机制尚不清楚。

近期，美国阿拉巴马大学伯明翰分校的James Edwin Blalock课题组在Cell发表题为Activated PMN Exosomes: Pathogenic Entities Causing Matrix Destruction and Disease in the Lung的研究，发现活化嗜中性粒细胞来源的外泌体通过释放具有活性的中性粒细胞弹性蛋白酶NE，破坏细胞外基质，进而促进肺部炎性疾病的发生。

研究人员利用细菌趋药性多肽 (formyl-methionine-leucine-phenylalanine, fMLP)活化嗜中性粒细胞（PMN）后提取外泌体，称为激活外泌体 (activated exosomes)，相对应的对照组外泌体称为休眠外泌体 (quiescent exosomes)。研究发现休眠外泌体与激活外泌体在分子直径，数目以及形态上均无明显差异，但活化PMN相关蛋白在激活外泌体中高表达，且其表面NE含量较休眠外泌体显著增加 (89.2% vs 1%)。随后研究人员利用western blot, mass spectroscopy 和FACS证实PMN来源的激活外泌体NE具有溶解弹性纤维的能力，而且这种外泌体表面NE可以抵抗a1AT的抑制作用。此外，活化的外泌体NE还通过整合蛋白Mac-1水解I型胶原酶，这种胶原酶在肺部含量最为丰富。

随后，研究人员将从志愿者血液PMN提取的外泌体注入到小鼠气管内，发现激活外泌体可以诱导小鼠发生COPD。注射三天后可明显观察到肺泡扩张，且单次注射可使该症状至少持续3周，可导致肺气肿。这种肺泡扩张是外泌体数量依赖的，且NE是激活外泌体引起肺泡扩张的主要因素。通过对人原发性气道上皮细胞来源的激活和休眠外泌体进行RNA测序和mRNA信号通路分析发现，二者在mRNA水平仅存在细微差异，且这种细微差异并不是激活外泌体引起肺泡扩张的原因，即说明激活外泌体NE通过直接水解ECM引起肺泡扩张。为了排除PMN激活剂的影响，研究人员还采用了其他的PMN激活剂，提取的激活外泌体具有相似的功能活性。

研究人员分别从正常不吸烟自愿者与COPD患者的支气管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid, BALF)中提取了外泌体，分别注入小鼠气管内，发现与正常对照相比，COPD患者BALF来源的外泌体可明显诱导小鼠肺泡扩张和右心室肥大 (right ventricular hypertrophy, RVH)。NE的抑制剂II可明显抑制COPD患者BALF来源外泌体引起的肺气肿，表明NE在外泌体引起的肺气肿中发挥着重要作用，且这些引起肺部疾病的外泌体表达CD66b，而非MUC4。研究发现，NE抑制剂II可大部分抑制COPD患者BALF来源的外泌体导致的肺气肿 (70%-75%)，但可以完全抑制CD66b阳性的外泌体引起的肺气肿，表明其余不表达CD66b的外泌体通过非NE依赖的方式引起不明显的致病性症状。研究人员还发现不仅COPD患者来源的外泌体可引起小鼠肺气肿，支气管肺发育不良(BPD) 患者来源的外泌体也可以诱导肺部疾病，强调了该通路在嗜中性肺疾病中的通用性，同时发现了外泌体在破坏ECM平衡诱导COPD和BPD（支气管发育不良）的新作用，为嗜中性肺疾病的治疗提供了新思路。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S009286741831585X

参考文献

1. Simon, C., et al., Extracellular Vesicles in Human Reproduction in Health and Disease. Endocr Rev, 2018. 39(3): p. 292-332.

2. Reategui, E., et al., Engineered nanointerfaces for microfluidic isolation and molecular profiling of tumor-specific extracellular vesicles. Nat Commun, 2018. 9(1): p. 175.

3. Szul, T., et al., Toll-Like Receptor 4 Engagement Mediates Prolyl Endopeptidase Release from Airway Epithelia via Exosomes. Am J Respir Cell Mol Biol, 2016. 54(3): p. 359-69.

4. Lord, D. and S. Washington, Introduction, in Safe Mobility: Challenges, Methodology and Solutions. 2018, Emerald Publishing Limited. p. 1-10.

5. Russell, D.W., A. Gaggar, and G.M. Solomon, Neutrophil Fates in Bronchiectasis and Alpha-1 Antitrypsin Deficiency. Ann Am Thorac Soc, 2016. 13 Suppl 2: p. S123-9.

6. Senior, R.M., et al., The induction of pulmonary emphysema with human leukocyte elastase. Am Rev Respir Dis, 1977. 116(3): p. 469-75.

7. Sng, J.J., et al., MMP-8, MMP-9 and Neutrophil Elastase in Peripheral Blood and Exhaled Breath Condensate in COPD. COPD, 2017. 14(2): p. 238-244.