外泌體成為治療糖尿病的新策略

2022 年 3 月 最新一期Dovepress旗下期刊INT J NANOMED發表一篇題為Exosomes as Promising Nanostructures in Diabetes Mellitus: From Insulin Sensitivity to Ameliorating Diabetic Complications的文章，綜述了外泌體作為糖尿病中有前途的納米結構：從胰島素敏感性到改善糖尿病并發癥，作者Ashrafizadeh M, Kumar AP等來自新加坡國立大學等。

 

糖尿病（DM）是一種慢性代謝性疾病，由于生活方式和肥胖，其發病率在發達國家和富裕國家呈上升趨勢。DM 的治療一直備受關注，并且在該領域做出了重大努力。外泌體屬于具有納米級特征（30-150 nm）的細胞外囊泡，參與細胞間通訊和保持體內平衡。

 

外泌體的功能根據它們的貨物而不同，它們可能含有脂質、蛋白質和核酸。作者重點關注外泌體在 DM 治療中的應用；葡萄糖和脂質水平都受到外泌體的顯著影響，這些納米結構增強了脂質代謝并減少了其沉積。

 

此外，外泌體促進葡萄糖代謝并影響 DM 中糖酵解酶和葡萄糖轉運蛋白的水平。I 型糖尿病是由胰腺中 β 細胞的破壞引起的，外泌體可用于改善這些細胞中的細胞凋亡和內質網 (ER) 應激。

 

外泌體在介導胰島素抵抗/敏感性方面具有雙重功能，M1巨噬細胞衍生的外泌體抑制胰島素分泌。外泌體可能含有miRNAs，通過在細胞間轉移，可以調節AMPK、PI3K/Akt、β-catenin等多種分子通路，影響糖尿病進展。

 

值得注意的是，外泌體存在于血液循環等不同的體液中，它們可以作為診斷糖尿病患者的生物標志物。未來的研究應側重于工程化源自間充質干細胞等來源的外泌體，將其作為一種新的策略來治療糖尿病。

 

糖尿病

 

糖尿病是一種代謝疾病，會改變蛋白質、脂肪和碳水化合物的代謝。糖尿病的發病率似乎在不同的時間線呈上升趨勢。2019年，全球糖尿病患病率為9.3%；2030 年似乎為 10.2%，2045 年更高（10.9%）。

 

有趣的是，糖尿病的發病率在城鄉不同。據估計，城市地區糖尿病患病率為10.8%，農村地區為7.2%。此外，與低收入國家相比，糖尿病在富裕國家更為常見，分別為 10.4% 和 4%。

 

美國、印度和中國的糖尿病發病率高于世界其他國家。多種因素可導致糖尿病 發展，包括胰島素分泌不足、β 細胞無法分泌胰島素以及周圍區域的胰島素分布減少。

 

I 型糖尿病 (TIDM) 和 II 型糖尿病 (TIDM) 是臨床過程中在患者中觀察到的最常見的糖尿病類型。TIDM 是一種自身免疫性疾病，其中免疫系統不適當地影響胰腺中的 β 細胞并去除他們的胰島素分泌能力和降低血清葡萄糖水平。TIDM 的治療似乎至關重要，缺乏管理會導致嚴重的并發癥。TIDM是β細胞分泌胰島素的最常見類型。

 

然而，細胞對胰島素沒有反應，會發生高血糖癥。TIDM 的發生在肥胖患者中更為常見。另一種糖尿病，稱為妊娠 DM，發生在孕婦中，導致對胰島素的敏感性顯著降低。糖尿病發展的確切原因尚未完全清楚。有多種假設和實驗來尋找糖尿病發展的根本原因。諸如功能障礙、缺乏運動、感染和毒素等環境因素可導致糖尿病發展。糖尿病的遺傳改變和家族史是糖尿病發展的其他原因。基因組實驗揭示了不同基因位點在糖尿病中的作用，這些基因中的大多數表現出在胰腺 β 細胞中的表達并調節這些基因的反應細胞凋亡、炎癥和免疫系統。

 

糖尿病與治療

 

已經使用了多種療法來治療糖尿病，并且每種療法都有其自身的優點和缺點。由于植物衍生的天然產品具有改善糖尿病并發癥的能力，它們已被用于治療 糖尿病。

姜黃素是一種具有不同藥理活性的植物化學物質，包括抗氧化、抗炎和抗糖尿病等。姜黃素可改善 DM 期間心肌細胞的凋亡和氧化損傷，為此，姜黃素可誘導 PI3K/Akt 和SIRT1/FOX1 通路。

 

臨床試驗證明姜黃素在降低糖尿病患者的氧化應激和炎癥評分中的作用。槲皮素是另一種植物化學物質，其給藥似乎有益于治療不同疾病，如癌癥、糖尿病和心血管疾病，槲皮素誘導 AMPK 信號傳導以增加 SIRT1 的表達，從而抑制 NF-κB 信號傳導，這與減少氧化應激和炎癥以及隨后預防糖尿病介導的動脈粥樣硬化相關。

 

此外，槲皮素和維生素 E 的組合可預防線粒體功能障礙并抑制細胞凋亡以減輕睪丸損傷在 糖尿病 中。

 

白藜蘆醇也是一種非黃酮類多酚，可以減少氧化損傷和炎癥，其給藥在治療神經系統疾病和糖尿病方面很有前景。白藜蘆醇可以預防糖尿病期間的不孕癥以及與達格列凈聯合給藥抗糖尿病藥物可提高降低血糖水平的能力。

 

基于核酸的藥物，包括小干擾 RNA (siRNA) 和短發夾 RNA (shRNA) 用于 DM 治療。siRNA 下調 Cyp4a14 和 P2X7 可改善糖尿病腎病。此外，shRNA 下調 CTGF 和 P2Y12 可改善視網膜病變并預防糖尿病治療中的炎癥。

 

然而，這些療法存在藥物生物利用度差和降解等問題血清中的 siRNA 為了提高其功效，建議應用納米結構。值得注意的是，最近的實驗集中在使用納米結構治療糖尿病。負載香附子的氧化鋅納米結構能夠通過下調 NLRP3 來減輕炎癥，從而改善糖尿病視網膜病變。

 

恩格列凈是一種可以通過納米結構遞送的抗糖尿病藥物，這反過來又增強了其減輕炎癥和氧化應激的能力。糖尿病神經病變。基于殼聚糖的納米顆粒還提供二甲雙胍以降低血糖水平。納米顆粒可以在糖尿病治療中提供藥物的持續釋放。因此，納米顆粒在糖尿病治療中的應用似乎很有前景，因此在接下來的部分，我們專注于外泌體作為糖尿病治療中的納米結構。

 

外泌體和β細胞功能

 

胰腺中有大量的朗格漢斯胰島，估計有 100 萬個，每個胰島由大約 1000 個 β 細胞組成，總重量為 0.9 克。β 細胞對 DM 和肥胖等各種條件作出反應。有趣的一點是肥胖個體的β細胞團。

 

肥胖患者血漿中胰島素水平升高，稱為高胰島素血癥，是預防胰島素抵抗的一種補償過程。因此，肥胖患者的 β 細胞數量增加，從而誘發高胰島素血癥。

 

嚙齒動物的肥胖模型表明，由于肥胖，β 細胞數量增加了 3 倍。可以觀察到 β 細胞破壞或缺乏胰島素分泌能力在 TIDM 中，根據一項實驗，TIDM 患者的 β 細胞質量在很長一段時間內下降到接近 100%。

 

然而，在 TIIDM 中存在一些見解，即由于 TIIDM 患者的胰島素水平很高， TIID 中 β 細胞的質量不變或增強。因此，β細胞功能及其質量對于預防DM很重要。

 

外泌體和胰島素抵抗

 

胰島素抵抗在糖尿病患者的治療中是一個日益嚴峻的挑戰，這意味著發生了胰島素濃度-效應曲線的變化，并且趨向于更高的濃度水平以發揮類似的作用。

 

細胞對胰島素的無反應和誘導胰島素抵抗在 TIIDM 中很常見，在某些情況下，在肥胖人群中也可以觀察到。胰島素由 54 個氨基酸組成，這種肽在 β 細胞中產生。

 

胰島素的作用是顯著促進細胞內的葡萄糖消耗，并抑制肝葡萄糖的產生。此外，胰島素通過上調 GLUT4等 GLUT 的表達和活性來增強細胞對葡萄糖的攝取。

 

然而，有一些原因導致胰島素抵抗。例如，在肥胖人群中，脂肪堆積會導致促炎細胞因子釋放、脂肪分解增加和脂肪因子釋放減少。這些影響導致與胰島素抵抗相關的脂肪酸和游離甘油水平升高。

 

最近的實驗集中在納米結構在逆轉胰島素抵抗中的應用。MgO 納米結構具有降低胰島素抵抗高達 29.5% 的能力。

 

另一項研究揭示了釓富勒烯納米結構通過誘導 IRS-2/PI3K/Akt 軸改善胰腺功能和抑制胰島素抵抗的潛力。

 

外泌體和糖尿病并發癥治療

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外泌體在糖尿病傷口愈合中的作用

 

糖尿病的傷口愈合過程延遲，患者容易出現慢性不愈合傷口。在糖尿病傷口中，促炎細胞因子和蛋白酶水平高，生長因子水平低。更多超過 70% 的 糖尿病 患者接受糖尿病藥物治療，而對于這些藥物對傷口愈合過程的影響知之甚少。

 

傷口愈合過程復雜，會發生各種細胞和分子機制，包括炎癥、增殖、血管生成、膠原沉積和重新上皮化。傷口愈合的第一步是募集免疫細胞以消除病原體，然后步驟，傷口相關基因通過切割表皮邊緣進行過度表達以介導細胞遷移。下一步是成纖維細胞的增殖和遷移以產生傷口肉芽組織，并且許多成纖維細胞可能發生分化以改善傷口收縮。然后，血管生成，傷口愈合過程結束。這些過程中的每一個過程中的干擾都可能導致傷口愈合延遲。

 

最近的一項實驗揭示了源自人類羊膜上皮細胞的外泌體在改善糖尿病傷口愈合過程中的潛力。

 

外泌體呈杯形或球形，粒徑為105.89 nm。它們對 CD63 和 TSG101 呈陽性，并且它們被 HFB 和 HUVEC 吸收。這些外泌體能夠促進 HFB 的生長和遷移，同時誘導 HUVEC 中的血管生成。

 

這些外泌體刺激 PI3K/Akt/mTOR 軸以誘導血管生成并改善成纖維細胞功能，從而促進 DM 中的傷口愈合。因此，誘導血管生成似乎有利于改善糖尿病中的傷口愈合過程。

 

更多研究揭示了外泌體在促進 FGF-1、VEGFA、VEGFR-2、ANG-1、E-選擇素、CXCL-16、eNOS 和 IL-8 的表達水平以改善糖尿病傷口愈合過程的潛力。

 

此外，富含 miRNA-221-3p 的外泌體在促進 DM 傷口愈合，增加蛋白質水平 VEGF 和 CD31 的表達水平，促進細胞增殖。此富含 miRNA-221-3p 的外泌體誘導 AGE/RAGE 軸改善 DM 的傷口愈合過程。根據這些實驗，外泌體主要參與改善 DM 的傷口愈合過程，以及不同的細胞，包括內皮細胞和成纖維細胞受到影響。

 

外泌體改善糖尿病神經病變

 

大約 50% 的 DM 患者因彌漫性和局灶性神經系統損傷而表現出神經病變。1神經病變在糖尿病患者中很普遍，會導致跌倒、疼痛和生活質量下降。

 

糖尿病神經病變在美國每年造成 100 億美元的損失。因此，應努力預防和管理糖尿病性神經病變。值得注意的是，抗糖尿病藥物已顯示出改善糖尿病相關腦損傷的潛力。

 

抗糖尿病藥物可以顯著減少神經炎癥和氧化損傷，從而預防阿爾茨海默病和帕金森病等神經系統疾病的發展。此外，GLP-1R 和 DPP-4i 等抗糖尿病藥物可以改善神經發生和認知功能。

 

外泌體可以調節神經元的凋亡。芍藥苷的給藥改善了來自雪旺細胞的外泌體的治療效果，并促進了內質網的穩態和完整性。

 

此外，芍藥苷干預通過下調 GRP78 和 IRE1α 提高外泌體預防神經元凋亡的能力。這些相互作用對于預防 DM 中的神經病變至關重要。

 

從間充質干細胞中分離的外泌體顯示出改善糖尿病周圍神經病變的潛力。受這些外泌體影響的潛在分子途徑非常重要。來自間充質干細胞的外泌體具有攜帶miRNA-146a的能力。富含 miRNA-146a 的外泌體提高了神經傳導速度，同時它們可以降低熱和機械刺激閾值。這些外泌體通過單核細胞預防炎癥并抑制內皮細胞活化以改善糖尿病神經病變。富含 miRNA-146a 的外泌體可以抑制 TLR-4/NF-κB 軸，從而減輕糖尿病神經病變。

 

外泌體增強腎細胞的活力

 

腎病是糖尿病的另一種并發癥，可導致終末期腎病。腎病的發病率似乎為 25%。各種機制導致糖尿病腎病的發展。高血糖可通過產生 Amadori 產物和晚期糖基化終產物而導致糖尿病腎病。

 

此外，高血糖通過誘導電子傳遞鏈介導糖尿病腎病顯著提高 ROS 水平。糖尿病腎病的治療仍然具有挑戰性，需要開發動物模型以有效了解其發病機制和藥物靶點。

 

外泌體的納米顆粒可以提供腎細胞的選擇性靶向，并提高抗糖尿病藥物（如大黃酸）的療效。此外，外泌體的納米結構可以改善足細胞損傷和減輕白蛋白尿，用于治療糖尿病腎病。

 

此外，外泌體抑制足細胞和腎小管上皮細胞的凋亡并增強糖尿病大鼠的內皮細胞生長。

 

更多研究表明，外泌體攜帶高水平的 TGF-β1、血管生成素和 BMP-7，有利于增強腎細胞的活力和誘導糖尿病中的血管再生。

 

外泌體對糖尿病腎病具有治療作用。來自間充質干細胞的外泌體具有高水平的 miRNA-125b，可下調 TRAF6 以誘導 Akt 信號傳導，從而導致自噬誘導和減少細胞凋亡，這對于緩解糖尿病腎病具有重要意義。

 

外泌體改善勃起功能障礙

 

勃起功能障礙被定義為無法維持陰莖勃起至少 6 個月。糖尿病被認為是勃起功能障礙的危險因素。這種疾病會降低男性的生活質量和自尊，其發病率在19-90%，并且可能在糖尿病開始前 10 年發生。

 

勃起功能障礙是一種多因素疾病。除了糖尿病，吸煙、心血管疾病、血脂異常、高血壓和肥胖是與勃起功能障礙發展相關的其他因素。導致勃起功能障礙的最常見因素是介導動脈流入或靜脈流出障礙的血管生成因素。

 

與膠原蛋白相比，外泌體來源于脂肪干細胞并通過海綿體內途徑給藥，以促進海綿體內壓力并增強平滑肌水平，這通過 CD31 過表達揭示。

 

此外，外泌體降低 caspase-3 的表達水平，同時促進 Bcl-2 的表達以防止細胞凋亡。根據結果，脂肪干細胞來源的外泌體是緩解糖尿病勃起功能障礙的治療劑。脂肪干細胞來源的外泌體可誘導血管生成，增加內皮細胞的增殖率，并預防勃起功能障礙。此外，這些外泌體減少了海綿體纖維化。

更多研究表明，源自脂肪干細胞的外泌體攜帶高水平的 miRNA-126、-130a 和 -132 作為促血管生成因子，以及 miRNA-let7b 和 -let7c 作為抗纖維化因子。根據實驗，預防纖維化是改善 DM 引起的勃起功能障礙的最佳選擇。源自平滑肌細胞的外泌體增強平滑肌含量并減少膠原蛋白積累以發揮抗纖維化活性。為此，外泌體上調 eNOS 和 nNOS 的表達水平以誘導 NO/cGMP 軸改善糖尿病的勃起功能障礙。

 

心血管疾病：外泌體誘導或抑制心臟損傷

 

糖尿病會對心臟產生負面影響，并可能發展為各種心血管疾病，如動脈粥樣硬化。

 

細胞凋亡和壞死是糖尿病期間心肌細胞中常見的兩種細胞死亡類型。高血糖與糖尿病性心肌病中的細胞死亡有關，并且已經努力使用治療性納米結構來緩解這種情況。

 

最近的一項實驗表明，外泌體可以從副交感神經節神經元 (PGN) 中分泌和分離，它們顯示出治療糖尿病性心肌病的能力。高葡萄糖水平通過下調 Bcl-2 和上調 Bax 和 caspase-3 降低 H9C2 細胞的存活率并誘導細胞凋亡。源自 PGN 的外泌體改善了糖尿病性心肌病并防止了細胞凋亡。

 

TIIDM 的另一個負面影響是血管滋養管 (VV) 血管生成，它促進了斑塊破裂的可能性。胰島素抵抗脂肪細胞具有分泌外泌體的能力。這些外泌體很容易被內皮細胞吸收，在小鼠體內實驗表明，它們在靜脈內給藥后具有穿透內皮細胞的能力。

 

值得注意的是，這些外泌體含有 Sonic Hedgehog，它們可以在主動脈斑塊中誘導 VV 血管生成。Gli1 是 Sonic Hedgehog 的下游靶點，這些外泌體可促進糖尿病小鼠的斑塊負荷。

 

糖尿病患者易患動脈粥樣硬化，這是心血管并發癥之一。暴露于高葡萄糖的巨噬細胞分泌外泌體并促進造血、動脈粥樣硬化病變和一些骨髓細胞。

 

此外，這些外泌體通過上調糖酵解提高了細胞生長速率并誘導了代謝譜的變化。進一步的研究表明，來自巨噬細胞的外泌體具有高水平的 miRNA-486-5p，這些 miRNA-486-5p 介導了它們在 DM 中加重動脈粥樣硬化的潛力。心肌纖維化也是 DM 中的另一個挑戰。

 

值得注意的是，TGF-β/Smad 信號傳導參與了纖維化。從間充質干細胞中分離的外泌體可通過抑制 TGF-β 信號傳導降低 Smad2 的表達水平，從而改善 DM 中的心肌纖維化。基于這些實驗，外泌體可以雙重作用在這種情況下，通過攜帶各種貨物（例如 miRNA）來誘導或抑制心臟損傷。工程化新型外泌體有助于預防 DM 介導的心臟損傷。

 

眼疾

 

外泌體的給藥途徑似乎對其對視網膜的保護作用很重要。來自脂肪間充質干細胞的外泌體的靜脈內給藥增加了層的厚度并誘導了神經節層的不規則性。與靜脈內給藥相比，外泌體的結膜下給藥產生更好的結果，并以良好的方式組織視網膜的細胞成分。

 

眼內給藥被認為是最佳途徑，并改善了與正常視網膜相似的視網膜層。據報道，高血糖會降低 miRNA-222 的表達。來自間充質干細胞的外泌體促進 miRNA-222 表達以改善 DM 中的視網膜變性。

 

下一個實驗將更多地闡明外泌體在緩解視網膜變性和揭示 DM 中潛在的分子途徑方面的作用。

 

基于這些實驗，會發生各種糖尿病并發癥，包括神經病、腎病、內皮功能障礙、勃起功能障礙、傷口愈合延遲、心血管疾病和眼部疾病，這些并發癥可以通過基于貨物的外泌體得到改善或加重。各種分子途徑，包括 VEGF、IRE1α、Bax、caspase-3 和 NLRP3，都受到來自不同來源的外泌體的影響，例如脂肪干細胞、間充質細胞和巨噬細胞。

 

圖1：外泌體和糖尿病并發癥。外泌體可以改善各種糖尿病并發癥，包括眼部疾病、心血管疾病、腎病、神經病、傷口愈合延遲和內皮功能障礙。神經病和腎病是糖尿病最常見的并發癥。細胞凋亡、自噬、血管生成和纖維化是受外泌體影響以減輕糖尿病并發癥的最常見分子機制之一。

 

圖2：外泌體及其在糖尿病治療中的潛力的總結。該示意圖表明，糖和脂質代謝、β 細胞的活力和存活以及細胞凋亡和 ER 應激等重要分子機制受到外泌體的嚴格調控，從而為 DM 及其并發癥的治療提供了新的見解。

 

近年來，用于治療糖尿病的療法發展勢頭迅猛，這也是這種代謝紊亂的高發病率和生活方式改變的原因。糖尿病可以發生在發展中國家和發達國家，由于生活方式的原因，在城市地區比在農村地區更常見。在糖尿病中，會發生高血糖癥，這可能導致并發癥和對細胞的負面影響，例如細胞死亡和活力降低。本綜述旨在研究外泌體作為納米結構在治療糖尿病中的作用。

 

葡萄糖攝取和代謝以及脂質代謝在糖尿病期間發生變化。外泌體可以增強 糖尿病中葡萄糖和脂質的代謝。外泌體的影響會因貨物而異。例如，富含 miRNA-210 的外泌體抑制葡萄糖攝取，而觸發 AMPK 信號傳導的外泌體可以誘導自噬，從而增強葡萄糖和脂質代謝。

 

有趣的一點是外泌體可以影響糖尿病中的 β 細胞。源自胰腺癌細胞的外泌體損害 β 細胞功能并導致 DM 發展。值得注意的是，外泌體還可以通過上調 Pdx-1、TGF-β、Smad2 和 Smad3 的表達水平來促進 β 細胞的再生和功能。

因此，外泌體同時具有促糖尿病和抗糖尿病活性。同樣的故事也發生在胰島素抵抗中。富含 miRNA-3075 的外泌體可誘導胰島素敏感性，而降低 IRS-1、HSL 和 PI3K/Akt 表達水平的外泌體可刺激胰島素抵抗。

 

糖尿病并發癥，包括視網膜變性、骨質疏松癥、糖尿病傷口愈合、動脈粥樣硬化、神經病變和腎病，可以受到外泌體的雙重調節。有趣的一點是評估外泌體在 DM 患者中的功能的臨床試驗，基于這些研究，外泌體可以來自各種來源，例如尿液，以檢測妊娠晚期的妊娠 DM。外泌體中 miRNA、lncRNA 和 circRNA 的富集決定了外泌體在 DM 中的功能及其生物標志物作用。盡管不同的實驗探索了外泌體在 DM 中的作用，但仍存在一些局限性，應成為未來研究的重點。大多數研究忽視了 DM 中外泌體影響的潛在分子途徑。此外，外泌體的表面修飾或在外泌體中裝載貨物可以促進它們在 DM 治療中的治療活性，這已被當前實驗所忽視。