心脏损伤“救星”——胞外囊泡 | Science子刊封面论文
胞外囊泡（EV），一种在细胞间穿梭以传递信息和货物的纳米级信使，是治疗包括自身免疫性疾病、神经退行性疾病、癌症和组织损伤在内的多种疾病的下一代疗法的潜力工具。干细胞源性EV已经被证明有益于心脏病发作后的心肌细胞恢复，但它们究竟是如何起效的，以及这种有益的效果是否是干细胞源性EV特有的，仍然是个谜。
近期，来自哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和John A. Paulson工程与应用科学学院的研究人员揭开了EV愈合能力背后的潜在机制，阐明EV不仅能够在心脏病发作后恢复细胞活力，而且还能在心脏病发作缺氧时保持细胞功能。此外，研究还证明EV可能来自内皮细胞，其比干细胞更丰富、更易于维护。相关研究成果以封面论文的形式于10月14日发表在Science Translational Medicine上。
来源：Science Translational Medicine
心脏病发作或心肌梗塞发生时，血液流向心脏受到阻碍。理论上治疗心脏病发作最好的方法是恢复血流，但这一过程实际上可能会对心脏细胞造成更大的损害，即所谓的缺血再灌注损伤（ischemia-reperfusion injury, IRI）或复氧损伤，它们在缺氧一段时间后组织恢复供血时发生。
“细胞对缺血再灌注损伤的反应涉及多种机制，如钙超载、氧化应激、线粒体功能障碍等等。这套复杂的过程对开发能够解决其中每一个问题的有效治疗方法提出了挑战。” 论文第一作者Moran Yadid博士说道。
血管内皮细胞在灌注组织中大量存在，作为缺氧应激的“第一反应者”，它们直接与实质细胞连接，因此高度参与向身体组织（包括高度血管化的心脏）发出的旁分泌信号。与其他细胞类型相似，内皮细胞分泌EV，如外泌体，以蛋白质和RNA的形式将信息递送给受体细胞，如心肌细胞。
EEV携带的货物可以在心脏病发作期间和之后直接保护心肌（来源：Science Translational Medicine）
研究人员假设内皮源性胞外囊泡（endothelial-derived EV, EEV）含有能够对心肌产生直接保护作用的物质。为了评估EEV的蛋白质成分是否能介导这种作用，他们绘制了血管EEV蛋白质组图谱。
“令人惊讶的是，尽管这些囊泡的直径只有150 nm，但它们却含有将近2000种不同的蛋白质。这些蛋白质中有很多与呼吸、线粒体功能、信号和体内稳态等代谢过程有关。换句话说，即与许多和心脏对压力反应有关的过程相关。因此，我们认为外泌体不是一种治疗性的分子，而是一种由分子和蛋白质组成的混合物，它们共同作用，帮助细胞维持体内稳态、应对压力、改变代谢行为，并减少伤害。” Yadid说道。
EEV中心脏保护相关蛋白的鉴定。其中（D）为EEV样本中发现的蛋白质组介导的潜在心脏保护的细胞机制示意图。橙色箭头表示病理通路，蓝色箭头表示反作用。（来源：Science Translational Medicine）
接下来，研究人员采用John A. Paulson工程与应用科学学院疾病生物物理学小组开发的芯片心脏模型测试了EEV对人体心脏组织的影响。
芯片器官平台模拟了天然组织的结构和功能，并允许实时观察人体组织损伤和治疗的效果。在这里，研究人员在注入和未注入EEV的芯片心脏上模拟心肌梗塞和复氧。
来源：Science Translational Medicine（上）；哈佛大学Wyss生物启发工程研究所官网（下）
他们发现，在接受EEV治疗的组织中，心肌细胞能够更好地适应应激情况并承受更高的负荷。通过3小时的氧气限制和90分钟的复氧诱导损伤，然后测量死亡细胞的比例和组织的收缩力。结果显示，用EEV治疗的心脏组织，其死亡细胞是未处理组织的一半（下图B），且EEV对心脏组织活力的影响被证明是剂量依赖性的（下图E）。此外，在EEV治疗的组织中，分泌的LDH（一种指示细胞损伤的酶）含量较低（下图D）。
来源：Science Translational Medicine
缺血再灌注损伤后组织收缩功能的恢复是决定心肌梗死预后和发展为心力衰竭的关键因素。研究人员进一步验证了EEV是否有助于缺血再灌注损伤后收缩功能的维护和恢复。实验结果显示，接受EEV治疗的心脏组织，其收缩力比未经处理的组织高4倍。
此外，与未经治疗的细胞相比，用EEV治疗的受损心肌细胞显示出一组与未受损心肌细胞更相似的蛋白质。令人惊讶的是，研究人员还观察到，即使在没有氧气的情况下，用EEV处理的细胞仍然会收缩。
缺血再灌注损伤期间，EEV维护收缩功能（来源：Science Translational Medicine）
参与该研究的哈佛医学院病理学客座教授Andre G. Kleber博士说：“我们的研究结果表明，EEV可以部分通过向受损细胞补充支持不同代谢过程的蛋白质和信号分子来保护心肌组织免受复氧损伤，为新的治疗方法铺平道路。”
“当一个分子、一个靶点的传统模式不能治愈疾病时，外泌体细胞疗法可能是有益的。通过EV，我们正在采取一种霰弹枪的方法来打击一系列的药物靶点。”领导该研究的Kevin Kit Parker博士总结道。
研究人员揭示了EV的愈合机制，并在芯片心脏上展示了它们的保护能力。（视频来源：哈佛大学Wyss生物启发工程研究所官网）
参考资料：
1# Reviving cells after a heart attack（来源：哈佛大学Wyss生物启发工程研究所官网）
2# Moran Yadid et al. Endothelial extracellular vesicles contain protective proteins and rescue ischemia-reperfusion injury in a human heart-on-chip. Sci.Transl. Med. (2020)
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