心臟干細(xì)胞分泌的外泌體對氧化應(yīng)激損傷下心肌細(xì)胞保護性作用的機制研究.pdf

1、心血管系統(tǒng)疾病是威脅人類生命的主要疾病之一。心肌缺血性疾病如動脈粥樣硬化、心肌缺血再灌注損傷以及心力衰竭等都有一個相同的病理改變，即在病變的區(qū)域產(chǎn)生大量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，活性氧的累積會造成心肌細(xì)胞的凋亡和壞死，進而加速心臟疾病的病理進程。因此，研究者們正在急切地尋求一個有效的治療手段來緩解氧化應(yīng)激對心血管系統(tǒng)的損傷。
　　干細(xì)胞移植在缺血性心肌病的治療中具有廣泛的應(yīng)用前景，不同來源

2、的干細(xì)胞的移植都被證實可以在不同程度上提高心功能，其中包括成體自體心臟固有的干細(xì)胞——心臟干（祖）細(xì)胞(Cardiac progenitor cells，CPCs)，由于其來源于自體的組織，可以很好地避免異體移植排斥效應(yīng)，因此越來越受眾多研究者關(guān)注。但是，心臟干細(xì)胞對于心肌保護的作用的機制目前還有待進一步闡明，通常移植后干細(xì)胞的常規(guī)生理過程包括:干細(xì)胞注射到病變區(qū)域、著床、分化，然后替代損傷的心肌組織。盡管干細(xì)胞直接的分化作用和間接的旁

3、分泌效應(yīng)都已經(jīng)被證實是干細(xì)胞心肌修復(fù)作用的潛在機制，但是近幾年來越來越多的證據(jù)顯示移植后的干細(xì)胞效應(yīng)主要來自于干細(xì)胞的旁分泌作用，干細(xì)胞可以分泌出多種旁分泌因子，這些因子在減少原有的心肌損傷和促進受損區(qū)域細(xì)胞的修復(fù)能力等方面都具有重要作用。
　　過去的幾年中，許多研究者證實CPCs分泌的一種名叫外泌體(exosomes)的雙層膜的納米級細(xì)胞外囊泡可以顯著改善受損心臟的心功能。Exosomes是一種直徑在30-100nm的膜性囊泡，

4、是囊泡轉(zhuǎn)運家族的重要組成部分，可以將里面包裹的眾多轉(zhuǎn)錄因子、小非編碼RNA(microRNA，miRNAs)、長鏈非編碼(longnon-coding RNA) RNA(lncRNA)等成分通過與目的細(xì)胞融合的方式傳遞到靶細(xì)胞中，進而調(diào)控細(xì)胞中一些重要的信號通路。CPCs通過分泌exosomes，攜帶一些CPC中可以改善心肌損傷重要因子，傳遞到心肌細(xì)胞內(nèi)，從而發(fā)揮心肌保護作用。但是exosomes的內(nèi)容物會根據(jù)病理條件的不同而發(fā)生改變，

5、不同的因子就會導(dǎo)致靶細(xì)胞會有不同的命運。因此，對于處在特定病理條件下的exosomes內(nèi)容物的探究非常必要且有意義，
　　目的：
　　本研究主要探究CPCs分泌的外泌體中對于活性氧累積導(dǎo)致的心肌損傷中發(fā)揮關(guān)鍵作用的miRNAs以及其調(diào)控機制。
　　方法:
　　1.采用干細(xì)胞表面抗原(stem cell antigen-1，Sca-1)標(biāo)記免疫磁珠，分選帶有這種特定表型的成年小鼠的心臟干細(xì)胞，用免疫熒光鑒定其表型，

6、流式細(xì)胞術(shù)分析分選前后Sca-1陽性的細(xì)胞比例;收集CPCs培養(yǎng)48h后的培養(yǎng)上清，用ExoQuick外泌體提取液對CPCs分泌的exosomes進行提取，用納米粒子示蹤儀(Nanoparticle Tracking Analysis，NTA)對exosomes進行粒徑分布以及濃度的分析，透射電鏡進一步觀察exosomes的超微結(jié)構(gòu)，最后用Western blot對其表面標(biāo)記(CD9、CD63、Alix)進行定性鑒定;免疫熒光檢測H9C

7、2細(xì)胞對膜染料PHK-26標(biāo)記后的exosomes的攝取情況;
　　2.用過氧化氫模擬心肌受損時氧化應(yīng)激的環(huán)境，確定過氧化氫的濃度，處理CPC，NTA分析用該濃度過氧化氫處理前后分泌exosomes量的差異;選擇13個與本研究相關(guān)的miRNAs，RT-qPCR解析在exosomes里面可能包含的miRNAs，并比較氧化應(yīng)激刺激前后exosomes內(nèi)的miRNAs的差異(miR-X);
　　3.用RT-qPCR檢測miR-X在

8、氧化應(yīng)激損傷的心肌細(xì)胞中表達差異，TargetScan預(yù)測差異miR-X的靶基因，轉(zhuǎn)染miR-X模擬物和抑制物Western Blot檢測靶蛋白的變化，驗證miR-X與靶蛋白相互調(diào)節(jié)在心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激導(dǎo)致?lián)p傷的作用，采用雙熒光素酶報告基因?qū)嶒瀸iR-X與靶蛋白的直接結(jié)合效應(yīng)進行驗證;
　　4.分別用CPC共培養(yǎng)、正常exosomes和過氧化氫刺激后的exosomes預(yù)處理心肌細(xì)胞，再對心肌細(xì)胞進行氧化應(yīng)激損傷處理，RT-qPCR

9、檢測miR-X的改變，WB檢測細(xì)胞中miR-X的靶蛋白和凋亡相關(guān)蛋白caspase-3的表達水平，流式細(xì)胞儀檢測AnnexinⅤ/PI雙染后處于各時期細(xì)胞的比例，反映細(xì)胞的凋亡水平。
　　結(jié)果:
　　1.原代培養(yǎng)的CPCs形態(tài)呈不規(guī)則的梭形，流式細(xì)胞儀對分選前后的細(xì)胞進行表面標(biāo)記物Sca-1陽性比例的分析，結(jié)果顯示，分選后Sca-1+細(xì)胞的比例較分選前顯著增加（95.04±4.29％ vs.1.31±0.42％），免疫熒光結(jié)

10、果提示，分選后CPC幾乎全部表達分選標(biāo)記Sca-1蛋白;CPCs培養(yǎng)上清離心之后有明顯白色沉淀沉積于管底，NTA結(jié)果檢測出exosomes的粒徑分布范圍以及濃度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大部分粒子都處于exosomes直徑的范圍(30-100nm)，含量最多的粒子直徑約為83nm，濃度為9.16×109個/ml.投射電鏡檢測到雙層膜的直徑在100nm左右的囊性小泡，進一步用Western Blot分析該白色沉淀發(fā)現(xiàn)，我們所提取出的物質(zhì)陽性表達CD63、

11、CD9、Alix蛋白;exosomes被PKH26標(biāo)記后，與H9C2細(xì)胞中共孵育12h后，免疫熒光可見大量紅色物質(zhì)在胞漿聚集;
　　2.隨著過氧化氫處理濃度增加，細(xì)胞形態(tài)發(fā)生明顯變化光，鏡下可見細(xì)胞皺縮漂浮甚至死亡，用Western Blot發(fā)現(xiàn)cleaved caspase-3表達明顯增加，100μM效果明顯，且細(xì)胞無致死性損傷，因此本研究采用100μM H2O2作為氧化應(yīng)激損傷濃度。Exosomes的NTA計數(shù)結(jié)果顯示，與正常

12、CPC(Nor-CPC)相比((1.31±0.29)×109)，100μM H2O2可以促使CPCs（H2O2-CPC）分泌較多的exosomes((3.36±0.66)×109); qPCR結(jié)果顯示，可以在Nor-CPC的exosomes(Nor-exo)和H2O2-CPC的exosomes(H2O2-exo)成功擴增出6個相關(guān)的miRNAs(miR-21，24，214，132，195，210)，且miR-21在Nor-exo和H2O

13、2-exo表達水平具有顯著性差異;對轉(zhuǎn)染miR-21的模擬物和抑制物后，Western blot結(jié)果顯示，過表達miR-21后激活型caspase-3的表達顯著下調(diào)，而抑制miR-21的表達可顯著上調(diào)激活型caspase-3，提示miR-21在H9C2細(xì)胞中是重要的抗過氧化氫誘導(dǎo)的凋亡因子。
　　3.Target Scan預(yù)測出，在不同種屬來源的PDCD4 mRNA的3'UTR的不同區(qū)域，都有一段相對保守的miR-21的結(jié)合位點。

14、Western blot結(jié)果發(fā)現(xiàn)，心肌細(xì)胞中PDCD4的表達水平隨著過氧化氫處理濃度的增加而表達上調(diào)。并且在過表達miR-21后，PDCD4的表達受到顯著抑制，而抑制miR-21后PDCD4表達上調(diào);熒光素酶報告基因發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)染了野生型的PDCD4載體同時又過表達細(xì)胞內(nèi)miR-21的細(xì)胞中，熒光素酶的活性顯著降低，證實miR-21與PDCD4是通過直接的結(jié)合而發(fā)揮抑制作用。
　　4.在氧化應(yīng)激處理之前給予exosomes進行預(yù)保護后

15、，exosomes可以明顯提高細(xì)胞中miR-21的水平，且細(xì)胞中cleaved caspase-3和PDCD4的蛋白水平明顯降低。AnnexinⅤ/PI雙染流式分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與H2O2-ctrl組33.29％的凋亡率相比較，H2O2-exo預(yù)保護細(xì)胞的凋亡率降低至13.58％，而Nor-exo的預(yù)保護也有一定作用，但凋亡率只降低至17.39％，不如H2O2-exo預(yù)保護作用明顯。
　　結(jié)論:
　　1.成年小鼠CPCs含量有

16、限，用免疫磁珠特異性結(jié)合的方式可以分離出純度較高、且較為特異的Sca-1+的心臟干細(xì)胞，CPCs同大多數(shù)細(xì)胞類型一樣，可以分泌出exosomes，且分泌exosomes的濃度與內(nèi)容物會根據(jù)細(xì)胞所處微環(huán)境的變化而改變;并且exosomes可以被H9C2細(xì)胞所攝取;
　　2.氧化應(yīng)激刺激下的CPCs分泌較多exosomes，并且其中的miR-21出現(xiàn)顯著差異;氧化應(yīng)激可以引起心肌細(xì)胞凋亡，且發(fā)生凋亡時miR-21顯著降低，說明miR-

17、21與氧化應(yīng)激導(dǎo)致的心肌細(xì)胞的凋亡密切相關(guān);
　　3.PDCD4作為miR-21的靶基因，參與到miR-21調(diào)控的凋亡過程之中，正常細(xì)胞受到miR-21對PDCD4的抑制調(diào)控，一旦發(fā)生氧化應(yīng)激的刺激，細(xì)胞miR-21下降導(dǎo)致PDCD4抑制被解除，進而使細(xì)胞容易發(fā)生凋亡;
　　4.氧化應(yīng)激刺激CPCs后分泌的Exosomes的預(yù)保護可明顯緩解心肌細(xì)胞由于氧化應(yīng)激所致的凋亡，與這種exosomes中包含大量的miR-21密切相關(guān)

18、，大量的miR-21傳遞到心肌細(xì)胞后重建了心肌細(xì)胞內(nèi)的miR-21/PDCD4負(fù)調(diào)節(jié)，降低細(xì)胞中PDCD4的表達，進而緩解心肌細(xì)胞凋亡。
　　因此，本研究主要闡明了心臟干細(xì)胞分泌的exosomes在缺血性心肌損傷的疾病模型中對于心肌細(xì)胞的保護性作用，首次提出干細(xì)胞心肌修復(fù)作用的系統(tǒng)性機制是通過exosomes傳遞miR-21到心肌細(xì)胞中調(diào)控PDCD4來完成的，為闡明干細(xì)胞治療心肌梗死的作用機制提供了新的視野，并有可能開辟一個潛在的