Cell：世界第四大致死疾病的致病实体——外泌体
2019-01-15 佚名 生物通
阿拉巴马大学伯明翰分校（UAB）的研究人员发现了一种新的、以前未报告的致病实体，它是慢性阻塞性肺病（COPD）患者肺部慢性炎症和组织损坏之间的基本环节。慢性阻塞性肺病是世界第四大致死因素。
阿拉巴马大学伯明翰分校（UAB）的研究人员发现了一种新的、以前未报告的致病实体，它是慢性阻塞性肺病（COPD）患者肺部慢性炎症和组织损坏之间的基本环节。慢性阻塞性肺病是世界第四大致死因素。
当从纯化的中性粒细胞中收集到小的亚细胞颗粒被注入健康小鼠的肺中时，这种致病实体——来自活化的中性粒细胞的外泌体——引起了慢性阻塞性肺病的肺损伤。值得注意的是，UAB大学的研究人员还从慢性阻塞性肺病患者的肺液和新生儿重症监护室中患有支气管肺发育不良疾病的婴儿的肺液中收集了外泌体。当这些人源性外泌体被注入健康小鼠的肺中时，它们也引起了慢性阻塞性肺病的肺损伤。损伤主要来自人类肺部的中性粒细胞来源的外泌体
“本研究似乎首次证明了一种确定的非传染性亚细胞实体在从人转移到小鼠时，能够重演疾病表型。”UAB大学医学部肺、过敏和重症监护医学教授J. Edwin Blalock博士说，“我认为这可能是一个影响非常深远的发现。根据疾病的不同，我们在这里发现的很多东西将应用于其他组织。”
其他以免疫细胞炎症和组织破坏为特征的疾病包括心脏病、转移癌和慢性肾病。激活的中性粒细胞外泌体也可能导致其他肺部疾病的肺部损伤，这些疾病具有过度中性粒细胞驱动的炎症，如囊性纤维化。该研究发表在Cell杂志上，这篇Cell花了六年时间研究。
“这些发现突出了先天免疫反应在慢性肺病中的新作用，可用于发展新的诊断和治疗慢性阻塞性肺病和可能的囊性纤维化。” 国家卫生研究所中的一部分国家心脏、肺和血液研究所肺病科主任 James Kiley博士说。
背景
慢性阻塞性肺病是一种与吸烟有关的疾病，其特征是肺部中性粒细胞引起的炎症。它会引起肺组织受损导致气道阻塞、呼吸短促和呼吸衰竭。中性粒细胞，是人体抵御感染和组织损伤的白细胞的一部分。它们占人体白细胞的60%，每品脱血液中约有25亿个中性粒细胞。中性粒细胞是一种贪婪的食肉动物，在被感染信号激活后会破坏人体细胞。
所有细胞都会分泌外泌体。这些微小的生物膜包裹的囊泡可以作为细胞间通讯的介质，它们可以将蛋白质、脂类和核酸从一个细胞运送到另一个细胞。UAB大学的研究集中在最近发现的外泌体的第三个功能上，外泌体具有携带蛋白酶的能力。
活化的中性粒细胞可以释放弹性蛋白酶（NE），一种能降解I型胶原和弹性蛋白的蛋白酶。胶原蛋白和弹性蛋白有助于形成的细胞外基质使细胞粘合在一起。在肺中，细胞外基质和肺细胞是帮助形成微小肺泡的一层组织，肺泡在那里交换氧气和二氧化碳。在慢性阻塞性肺病中，受损的肺泡扩大，氧气交换减少，迫使心脏泵出更多的血液来推动血液通过肺部。
来自中性粒细胞的NE酶和其他蛋白酶可以攻击微生物。健康的肺受到抗蛋白酶的保护，抗蛋白酶能够抑制蛋白酶活性。正常情况下，NE被肺中一个强大的α1抗胰蛋白酶屏障抑制。
这项研究
Blalock及其同事研究了NE酶是否以外泌体的形式存在，以及这种外泌体是否可能绕过α1抗胰蛋白酶抑制而导致炎症性肺病。
他们发现，当转移到健康小鼠体内时，来自静止中性粒细胞的外泌体不会引起慢性阻塞性肺病。相比之下，通过肺泡组织学变化测量，活化的中性粒细胞的外泌体确实引起了慢性阻塞性肺病，肺阻力增加，右心室增大，血液泵入肺中。
活化的中性粒细胞外泌体表面被有酶活性的NE酶覆盖，而静止的中性粒细胞外泌体则没有。该表面NE酶对α1抗胰蛋白酶抑制有抵抗作用；激活的中性粒细胞外泌体会降解胶原，当它们进入小鼠肺部时会引起肺气肿，它们携带中性粒细胞表面标记物CD63和CD66b，这些标记物表明它们来自中性粒细胞。携带中性粒细胞表面标记物的人慢性阻塞性肺病来源的外泌体将慢性阻塞性肺病传给小鼠。
一个非常大的剂量的纯NE酶-足够压倒α1抗胰蛋白酶屏障-可以导致小鼠肺泡增大。研究人员发现，由于外泌体结合的NE酶能够抵御α1抗胰蛋白酶的抑制作用，因此造成相同损伤的情况下，激活的中性粒细胞外泌体所需要的量比纯化的NE酶量少10,000倍。
激活的中性粒细胞外泌体还有另一个导致其侵袭性蛋白水解的原因——它们表面携带整合素Mac-1。整合素Mac-1使外泌体直接与胶原纤维结合，这是除保护NE酶外的第二种机制，解释了为什么有蛋白水解酶活性的外泌体在相对于它们的大小和蛋白酶负荷方面具有超量的降解能力。
“这项研究揭示了炎症、蛋白水解和基质重塑之间的相互作用，这是一个完全被忽视的方面，对未来的研究具有深远的意义。”Blalock说，“我们的报告显著地扩展了外泌体的生物学特性，证明了这些细胞外微粒的有效生物学效应。”
展望未来
该研究还提出了阻断中性粒细胞外泌体致病方面功能的治疗策略：1）破坏NE酶与外泌体的离子结合，使NE酶脱离并对α1抗胰蛋白酶敏感；2）抑制外泌体整合素Mac-1阻断与胶原结合；3）用小分子化合物直接抑制外泌体NE酶。
Blalock还对另一个大问题感兴趣——健康吸烟者的外泌体活动。
“只有七分之一或八分之一的吸烟者会得慢性阻塞性肺病。”他说，“如果我们在吸烟人群的亚群中发现激活的中性粒细胞外泌体，这将是一个惊人的结果。”这样就可以警告这些人他们面临的风险。
原始出处：
Kristopher R. Genschmer, et al.Activated PMN Exosomes: Pathogenic Entities Causing Matrix Destruction and Disease in the Lung.Cell, Vol. 176, Issues 1-2, p113–126.e15
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