干细胞外泌体免疫调节机制在治疗糖尿病中的作用：你知道多少？

概述：外泌体携带蛋白质、代谢物、核酸和脂质，这些物质来自它们的母细胞。它们通过外泌作用从细胞中产生，被目标细胞摄取，并能在本地或远处的细胞之间传递生物信号。因此，外泌体经常会在病理过程中发生改变，包括感染、癌症、心血管疾病以及肥胖和糖尿病等代谢紊乱，所有这些病理过程都涉及重要的炎症方面。

近日，国际期刊《Frontiers in Immunology》杂志发表了一篇“外泌体对糖尿病的免疫调节作用：糖尿病治疗中一种新颖且有吸引力的治疗工具”的文献综述，综述表明我们将讨论源自中性粒细胞、T淋巴细胞和巨噬细胞的免疫细胞外泌体如何影响糖尿病的免疫重编程和相关并发症。此外，我们还综述了源自干细胞的外泌体及其在糖尿病中的免疫调节特性和抗炎作用。

此外，作为对以往综述的重要补充，我们介绍了涉及工程外泌体的前景广阔的研究方向，以及目前在糖尿病治疗中临床应用所面临的挑战。对外泌体的进一步研究将探索其在转化医学中的潜力，并为开发有效的临床诊断和糖尿病免疫调节治疗策略提供新的途径。

简介

糖尿病是一组以长期高血糖为特征的代谢紊乱疾病，是一个影响全球超过4亿人的全球健康问题。预计到2045年，这一数字将激增至约7亿。

这种疾病的发生要么是由于胰腺产生的胰岛素不足，要么是身体无法有效利用所产生的胰岛素。

最常见的症状包括体重减轻、烦渴、多尿和持续饥饿。如果管理不当，糖尿病会导致严重的并发症，如肾衰竭、伤口不愈、视力丧失、心脏病、神经损伤，甚至增加患癌症的风险。

糖尿病主要分为三种类型：1型糖尿病（T1DM）、2型糖尿病（T2DM）和妊娠期糖尿病。T1DM和T2DM分别占全球糖尿病病例的7-12%和85-90%。全球糖尿病病例的迅速增加凸显了该疾病作为公共卫生问题的重要性。

除了使用胰岛素和口服抗糖尿病药物的传统治疗之外，临床医生还尝试通过使用涉及胚胎干细胞（ESC）、诱导多能干细胞（iPSC）和成体间充质干细胞（MSC）的细胞疗法来加强患者护理。然而，全细胞治疗中存在一些意想不到的安全问题，例如免疫排斥、遗传或疾病转移以及异位细胞分化。最近，据报道外泌体在多种疾病中发挥作用，并被证明是各种发病机制的关键介质。与基于细胞的疗法相比，外泌体含有大量的生物活性分子，包括蛋白质和核酸。它们表现出高生物相容性和低免疫原性，并且由于其纳米级尺寸而能够循环到远处并自由穿过血脑屏障。

最近的研究表明，外泌体在糖尿病及其并发症的发生、发展和治疗中发挥着重要作用。然而，从免疫和炎症的角度，关于不同细胞来源的外泌体对糖尿病及其并发症的治疗和机制的总结还很少。这篇综述总结了外泌体和免疫调节/炎症在糖尿病中的作用的最新进展。

外泌体的描述

外泌体是细胞分泌的小型膜结合囊泡，直径通常在30至200纳米之间。它们在细胞间传递信息、调节细胞功能、参与疾病的发生和发展等方面发挥着重要作用。

外泌体的生物发生涉及三个过程：产生、释放和摄取。

在细胞内，负责膜合成的膜蛋白和脂质分子被合成并包装到内质网囊泡中。随后，这些囊泡融合成多囊泡。多囊泡中的囊泡可以进一步融合形成外泌体。外泌体的释放主要是通过多囊泡与细胞膜的融合来完成。当多囊泡与细胞膜融合时，内部囊泡被释放到细胞外形成外泌体。外泌体通过膜融合和内吞作用被靶细胞摄取，然后将其货物释放到细胞质中发挥作用。因此，外泌体可以远距离操纵受体细胞和其他器官。

先前的研究表明，外泌体作为细胞间连接，将蛋白质、脂质和核酸转运至靶细胞。它们参与多种生物过程，包括核酸调节、抗原呈递、代谢物运输和炎症管理。此外，它们具有作为各种疾病的诊断和治疗工具的潜力。值得注意的是，小非编码RNA (ncRNA) 长度约为19至24nt，是核酸的一个子集，由于其调节功能而在科学界引起了相当大的兴趣。

在这篇综述中，我们总结了源自免疫细胞和非免疫细胞（如干细胞）的外泌体参与糖尿病及其并发症的发生和干预机制，其中许多涉及ncRNA（表1），基于最近的报道。因此，通过外泌体递送多种ncRNA可能具有广泛的应用前景。

免疫细胞衍生的外泌体与糖尿病

1996年，拉波索等人据报道，B淋巴细胞分泌抗原呈递囊泡。此后，越来越多的研究发现，免疫细胞分泌的外泌体与免疫系统中的细胞相互作用，调节免疫反应。因此，这些膜囊泡正在被探索作为潜在的免疫治疗试剂。免疫细胞来源的外泌体可以通过多种机制激活免疫系统。

• 首先，它们可以通过表面的抗原呈递直接激活树突状细胞和T细胞等免疫细胞。
• 其次，它们可以通过释放细胞因子和化学介质等免疫刺激分子来间接激活免疫细胞。
• 此外，具有免疫原性的外泌体还可能通过转移miRNA、mRNA等免疫相关核酸分子来调节免疫细胞的功能。

先前的研究表明，免疫源性外泌体在糖尿病的发生和进展中发挥了作用，使其成为该疾病的关键调节因子。

中性粒细胞来源的外泌体在糖尿病中的作用

多形核中性粒细胞 (PMN) 占人类所有白细胞的40-70%，是最常见的粒细胞类型。中性粒细胞是宿主抵御入侵病原体的第一道防线，具有吞噬病原体的天然能力。因此，中性粒细胞作为重要的免疫和分泌细胞，在炎症和感染过程中发挥着至关重要的作用。

在最近的一项研究中，研究人员将血管内皮生长因子 (VEGF) 封装的活化中性粒细胞外泌体模拟物 (aPMNEM) 加载到细胞外基质 (ECM) 水凝胶中，开发出用于治疗慢性糖尿病伤口的VEGF-aPMNEM-ECM混合水凝胶。与直接使用外泌体或使用源自其他细胞的外泌体相比，这种基于aPMNEM-ECM的生物材料具有以下优点:

• 对于伤口感染治疗，aPMNEM可以通过杀菌相关蛋白发挥抗菌作用
• 作为载体，aPMNEM可以传递细胞因子，并保护它们不被降解
• 作为一种热敏材料，ECM可以在体内充当原位凝胶并增加aPMNEM的停留时间。

该研究不仅为慢性糖尿病伤口的再生提供了一种功能性生物材料，而且还为细胞因子治疗创造了一个有前景的平台，通过在aPMNEM-ECM中加载各种可用的细胞因子，该平台有可能用于治疗不同的疾病。

T淋巴细胞来源的外泌体在糖尿病中的作用

1型糖尿病是一种自身免疫性疾病，其特征是免疫细胞浸润胰岛并选择性消除分泌胰岛素的β细胞。Regazzi的团队报告说，相对于小鼠胰岛，miR-142-3p、miR-142-5p和miR-155在8周NOD小鼠的T淋巴细胞中特别富集。在1型糖尿病中，T淋巴细胞-EXO携带特定的microRNA，可诱导受体胰腺β细胞趋化因子表达和凋亡。β细胞中miR-142-3p/-5p和miR-155的失活导致胰岛素水平升高、胰岛素炎评分降低、炎症减少，并为NOD小鼠提供预防糖尿病发展的保护。

巨噬细胞来源的外泌体在糖尿病中的作用

巨噬细胞衍生的外泌体已被证明在免疫调节、组织修复和细胞间通讯方面具有多种功能。

根据功能特征，巨噬细胞分为两个亚群：1型巨噬细胞（M1促炎症）和2型巨噬细胞（M2抗炎症）。M1巨噬细胞在炎症早期发挥作用，与组织损伤和促炎活性有关，而M2巨噬细胞释放抑制炎症并具有抗炎作用的细胞因子。最近的研究表明，巨噬细胞-EXO有助于糖尿病的进展（图1）。

糖尿病环境诱导巨噬细胞进行M1极化，M1巨噬细胞分泌的外泌体含有异常ncRNA，可促进糖尿病和相关并发症。转换M1/M2巨噬细胞极化的比率被认为是一种治疗应用，它可以通过各种机制加速糖尿病的恢复。

干细胞来源的外泌体及其对糖尿病免疫/炎症的影响

近年来，基于外泌体的治疗因其相对较高的安全性、生物相容性和低免疫原性而受到越来越多的关注。本部分综述了不同种类干细胞的外泌体及其对糖尿病炎症/免疫调节作用的主要机制（图2）。

CBSC，脐带血干细胞；EPC，内皮祖细胞；ADSC，脂肪干细胞；UCSC，脐带间充质干细胞；BMSC，骨髓来源的间充质干细胞。

脐带血干细胞：脐带血干细胞是多能干细胞，表现出以胚胎和造血标记为特征的独特表型，将其与其他已知的干细胞类型区分开来。表型表征表明 CBSC表现出胚胎细胞标记。此外，CBSC表现出最小的免疫原性，其主要组织相容性复合体 (MHC) 抗原的低表达以及它们无法刺激同种异体淋巴细胞的增殖就证明了这一点。

机制研究表明，CBSC源性外泌体（CBSC-EXO）的分泌使人血液单核细胞/巨噬细胞极化为M2巨噬细胞，从而从根本上纠正自身免疫并通过各种分子和细胞机制诱导免疫耐受。

间充质干细胞：间充质干细胞具有多种生物学特性，如免疫调节、抗炎特性和促进血管生成等，使其广泛应用于临床治疗和再生医学。MSC-EXO已被证明在治疗糖尿病和相关并发症方面与MSC具有相似的效果，但在某些情况下，它们发挥不同的生物学特性。

脂肪干细胞：脂肪细胞来源的干细胞作为组织再生的有效治疗工具已引起人们的关注。ADSC衍生的外泌体（ADSC-EXO）可以通过调节免疫细胞改善炎症，从而促进糖尿病及其相关并发症的治疗。

脐带间充质干细胞：人脐带组织（沃顿胶）是间充质干细胞的有效且丰富的来源。UCSC衍生的外泌体（UCSC-EXO）在糖尿病治疗中显示出有希望的结果，并可能成为治疗糖尿病及其并发症的成功策略。注射UCSC-EXO显着改善T2DM大鼠的高血糖。此外，UCSC-EXO还有助于治疗其他糖尿病并发症，如糖尿病肾病、视网膜病变和伤口溃疡。

骨髓间充质干细胞：骨髓间充质干细胞是具有自我更新、多向分化和多效旁分泌功能的多谱系祖细胞。研究表明，纯化的BMSC衍生的外泌体 (BMSC-EXO) 在受损组织修复方面比BMSC本身具有更具体的独特益处，包括卓越的稳定性、组织通透性、优异的生物相容性和免疫调节特性。

外泌体作为糖尿病的创新治疗工具：现状和有希望的方向

有希望的方向

外泌体表现出高生物相容性和低免疫原性，这使得它们在递送核酸序列和化疗药物方面具有巨大潜力。但研究表明，大多数外泌体在体内的自然半衰期较短（<6h），且天然外泌体的含量受到分泌细胞的限制，导致负载药物时的治疗效果有限分子。

迄今为止，越来越多的研究表明，在某些应激或改变的条件下，与基础条件相比，干细胞可以产生更多的外泌体或具有不同组成的外泌体。与此同时，许多研究证明了修饰或预处理的干细胞源性外泌体对预防糖尿病合并症或微血管并发症的有益作用。这些好处主要源于以下三个方面（表2）：

1. 与野生型外泌体相比，来自转基因干细胞的外泌体对糖尿病伤口愈合具有增强的作用； 
2. 通过在培养基中添加特定药物，细胞可能会分泌更有效靶向血管生成、抗炎、促进增殖和迁移、抑制细胞凋亡的外泌体； 
3. 在某些应激条件下，例如缺氧，细胞可能会分泌外泌体，这些外泌体在促进成纤维细胞增殖和迁移以及增强慢性伤口的上皮再生方面表现更好。

所有上述都证明，在将间充质干细胞治疗糖尿病之前，用各种试剂/应激对糖尿病间充质干细胞进行预处理或预处理可用于优化/改善细胞功能。

除了对产生外泌体的供体细胞进行修饰外，直接修饰纯化的天然外泌体可以高效、快速地获得大量工程化外泌体，并减少细胞培养过程中的不确定性，这对于工程化外泌体的大规模生产具有重要意义。因此，未来的研究将更多地集中于这些方法在糖尿病及其相关并发症的治疗中的应用。

最后，近年来，由于具有高生物相容性和可修改性，负载外泌体和其他纳米颗粒的复合水凝胶在治疗慢性糖尿病伤口方面受到越来越多的关注。与传统的干细胞疗法在糖尿病溃疡中被证明存活时间短、稳定性差、免疫排斥风险高相比，负载外泌体的复合水凝胶已被证明在血管生成、抗肿瘤、抗肿瘤等方面具有优越的功能。-抗炎、抗菌和抗氧化特性（表3）。

由于不同的药剂对于伤口愈合具有不同的适用性、优点和缺点，因此可以将各种治疗剂掺入多功能水凝胶内以创建出色的药物递送系统。因此，负载外泌体的“一体化”复合水凝胶可以在糖尿病伤口愈合中实现受控药物递送，从而有利于更好的药物应用。

目前临床应用面临的挑战

到目前为止，外泌体的临床转化主要面临三个挑战。

首先，尽量减少人与动物生理结构差异造成的治疗效果差异。源自各种干细胞来源的外泌体已被用于动物模型的伤口愈合治疗，包括小鼠、大鼠、兔子，始终表现出积极的效果，例如改善伤口闭合、缩短愈合时间、增强伤口愈合能力。血管生成，减少疤痕形成。然而，由于皮肤结构和生理学的显着差异，这些临床前研究的结果并不一定适用于人类皮肤，而猪皮是最接近人类皮肤的类似物。

• 根据Sullivan及其同事的研究，猪模型与人类研究的一致性为78%。这一结果超过了其他小型哺乳动物和体外模型，其一致性仅为53%和57%。因此，利用猪模型验证外泌体对伤口愈合的生物学效应至关重要。

其次，工程细胞外囊泡的临床转化刻不容缓。到目前为止，这些外泌体的临床应用仅限于少数探索干细胞来源的外泌体对糖尿病及其并发症（例如伤口愈合）的治疗效果的临床试验。

根据ClinicalTrials.gov的数据，迄今为止，三项已完成的临床试验已利用源自血浆（NCT02565264）、脂肪组织（NCT05475418）和间充质干细胞（NCT05813379）的外泌体进行伤口愈合。另一项（NCT04134676）探索了干细胞条件培养基治疗慢性溃疡伤口的用途。除了伤口治疗之外，很少有临床试验研究外泌体在其他糖尿病疾病中的应用[只有一项用于1型糖尿病 (NCT02138331)]。

第三，“良好生产规范”（GMP）级外泌体的放大生产是外泌体临床使用中最困难的部分。外泌体进一步临床应用的挑战包括质量控制，例如外泌体的细胞培养系统、纯化、表征/理化和生物学特性，以及建立效力测定的“金标准”。因此，符合GMP的外泌体制造规模化技术的进步将在不久的将来增强这些实体在糖尿病和相关并发症方面的临床应用。

结束语和未来展望

作为新型无细胞疗法的有前途的候选者，外泌体可广泛用作干细胞的替代品，用于管理各种免疫相关疾病或炎症反应，以维持组织稳态和损伤后组织再生的微环境。

在这篇综述文章中，我们描述了源自中性粒细胞、T淋巴细胞和巨噬细胞的免疫细胞衍生的外泌体如何对糖尿病及相关并发症产生影响。我们还讨论了干细胞来源的外泌体及其在糖尿病并发症进展中的免疫调节和炎症中的作用。此外，还回顾了涉及工程外泌体的有前途的方向以及当前临床应用的挑战。工程化外泌体的增强特性已在实验室得到验证，证明其具有巨大的临床应用前景。然而，由于缺乏扩大生产的临床试验和质量控制，商业外泌体产品距离上市还有很长的路要走。

尽管如此，我们仍然相信这些创新方法面临的障碍将被克服，并且它们确实会影响糖尿病的治疗。

参考资料：Li N, Hu L, Li J, Ye Y, Bao Z, Xu Z, Chen D, Tang J and Gu Y (2024) The Immunomodulatory effect of exosomes in diabetes: a novel and attractive therapeutic tool in diabetes therapy. Front. Immunol. 15:1357378. doi: 10.3389/fimmu.2024.1357378

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