世界第四大致死疾病的致病實體——外泌體

阿拉巴馬大學伯明翰分校（UAB）的研究人員發現了一種新的、以前未報告的致病實體，它是慢性阻塞性肺病（COPD）患者肺部慢性炎症和組織損壞之間的基本環節。慢性阻塞性肺病是世界第四大致死因素。

當從純化的中性粒細胞中收集到小的亞細胞顆粒被注入健康小鼠的肺中時，這種致病實體——來自活化的中性粒細胞的外泌體——引起了慢性阻塞性肺病的肺損傷。值得注意的是，UAB大學的研究人員還從慢性阻塞性肺病患者的肺液和新生兒重症監護室中患有支氣管肺發育不良疾病的嬰兒的肺液中收集了外泌體。當這些人源性外泌體被注入健康小鼠的肺中時，它們也引起了慢性阻塞性肺病的肺損傷。損傷主要來自人類肺部的中性粒細胞來源的外泌體

「本研究似乎首次證明了一種確定的非傳染性亞細胞實體在從人轉移到小鼠時，能夠重演疾病表型。」UAB大學醫學部肺、過敏和重症監護醫學教授J.
Edwin Blalock博士說，「我認為這可能是一個影響非常深遠的發現。根據疾病的不同，我們在這里發現的很多東西將應用於其他組織。」

J. Edwin Blalock

其他以免疫細胞炎症和組織破壞為特徵的疾病包括心臟病、轉移癌和慢性腎病。激活的中性粒細胞外泌體也可能導致其他肺部疾病的肺部損傷，這些疾病具有過度中性粒細胞驅動的炎症，如囊性纖維化。該研究發表在Cell雜誌上，這篇Cell花了六年時間研究。

「這些發現突出了先天免疫反應在慢性肺病中的新作用，可用於發展新的診斷和治療慢性阻塞性肺病和可能的囊性纖維化。」
國家衛生研究所中的一部分國家心臟、肺和血液研究所肺病科主任James Kiley博士說。

James Kiley

背景

慢性阻塞性肺病是一種與吸煙有關的疾病，其特徵是肺部中性粒細胞引起的炎症。它會引起肺組織受損導致氣道阻塞、呼吸短促和呼吸衰竭。中性粒細胞，是人體抵禦感染和組織損傷的白細胞的一部分。它們占人體白細胞的60%，每品脫血液中約有25億個中性粒細胞。中性粒細胞是一種貪婪的食肉動物，在被感染信號激活後會破壞人體細胞。

所有細胞都會分泌外泌體。這些微小的生物膜包裹的囊泡可以作為細胞間通訊的介質，它們可以將蛋白質、脂類和核酸從一個細胞運送到另一個細胞。UAB大學的研究集中在最近發現的外泌體的第三個功能上，外泌體具有攜帶蛋白酶的能力。

活化的中性粒細胞可以釋放彈性蛋白酶（NE），一種能降解I型膠原和彈性蛋白的蛋白酶。膠原蛋白和彈性蛋白有助於形成的細胞外基質使細胞黏合在一起。在肺中，細胞外基質和肺細胞是幫助形成微小肺泡的一層組織，肺泡在那里交換氧氣和二氧化碳。在慢性阻塞性肺病中，受損的肺泡擴大，氧氣交換減少，迫使心臟泵出更多的血液來推動血液通過肺部。

來自中性粒細胞的NE酶和其他蛋白酶可以攻擊微生物。健康的肺受到抗蛋白酶的保護，抗蛋白酶能夠抑制蛋白酶活性。正常情況下，NE被肺中一個強大的α1抗胰蛋白酶屏障抑制。

這項研究

Blalock及其同事研究了NE酶是否以外泌體的形式存在，以及這種外泌體是否可能繞過α1抗胰蛋白酶抑制而導致炎症性肺病。

他們發現，當轉移到健康小鼠體內時，來自靜止中性粒細胞的外泌體不會引起慢性阻塞性肺病。相比之下，通過肺泡組織學變化測量，活化的中性粒細胞的外泌體確實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。

活化的中性粒細胞外泌體表面被有酶活性的NE酶覆蓋，而靜止的中性粒細胞外泌體則沒有。該表面NE酶對α1抗胰蛋白酶抑制有抵抗作用；激活的中性粒細胞外泌體會降解膠原，當它們進入小鼠肺部時會引起肺氣腫，它們攜帶中性粒細胞表面標記物CD63和CD66b，這些標記物表明它們來自中性粒細胞。攜帶中性粒細胞表面標記物的人慢性阻塞性肺病來源的外泌體將慢性阻塞性肺病傳給小鼠。

一個非常大的劑量的純NE酶-足夠壓倒α1抗胰蛋白酶屏障-可以導致小鼠肺泡增大。研究人員發現，由於外泌體結合的NE酶能夠抵禦α1抗胰蛋白酶的抑製作用，因此造成相同損傷的情況下，激活的中性粒細胞外泌體所需要的量比純化的NE酶量少10,000倍。

激活的中性粒細胞外泌體還有另一個導致其侵襲性蛋白水解的原因——它們表面攜帶整合素Mac-1。整合素Mac-1使外泌體直接與膠原纖維結合，這是除保護NE酶外的第二種機制，解釋了為什麼有蛋白水解酶活性的外泌體在相對於它們的大小和蛋白酶負荷方面具有超量的降解能力。

「這項研究揭示了炎症、蛋白水解和基質重塑之間的相互作用，這是一個完全被忽視的方面，對未來的研究具有深遠的意義。」Blalock說，「我們的報告顯著地擴展了外泌體的生物學特性，證明了這些細胞外微粒的有效生物學效應。」

展望未來

該研究還提出了阻斷中性粒細胞外泌體致病方面功能的治療策略：1）破壞NE酶與外泌體的離子結合，使NE酶脫離並對α1抗胰蛋白酶敏感；2）抑制外泌體整合素Mac-1阻斷與膠原結合；3）用小分子化合物直接抑制外泌體NE酶。

Blalock還對另一個大問題感興趣——健康吸煙者的外泌體活動。

「只有七分之一或八分之一的吸煙者會得慢性阻塞性肺病。」他說，「如果我們在吸煙人群的亞群中發現激活的中性粒細胞外泌體，這將是一個驚人的結果。」這樣就可以警告這些人他們面臨的風險。