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【外泌體科普2】外泌體在免疫學中的應用

來源:作者:人氣:-發表時間:2019-11-01 14:13:00【
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在我們的身體中,大約有60萬億個細胞通過互相交流和交換信息來維持我們的生命活動。其中,各種細胞通過釋放出一種被稱為外泌體、直徑為30~100 nm的小型膜囊泡來傳遞信息,近年來引起了廣泛的關注。外泌體是被脂質雙分子層膜包圍的膜囊泡,在被稱為多囊泡胞內體的細胞內囊泡中產生,多囊泡胞內體與細胞膜的融合后被釋放到細胞外(圖1)。
外泌體在免疫系統中的作用
圖1. 外泌體在免疫系統中的作用
外泌體中除了含有核內體來源蛋白(ESCRTs、TSG101等)、細胞內運輸相關蛋白(Rab GTPase等)或細胞膜來源蛋白(CD63、CD81等)等分泌細胞來源蛋白外,還包含了分泌細胞的細胞膜和核內體膜來源的脂質(膽固醇、鞘磷脂等)。
多年來,外泌體一直被認為是將這些細胞內組分作為廢物排出的一種機制,但近年的研究發現,外泌體是分泌細胞與靶細胞之間交換蛋白和脂質的重要媒介。免疫細胞來源的外泌體中含有抗原肽-MHC復合物和各種抗原,能夠控制免疫細胞之間抗原信息的交換、免疫細胞的活化和抑制等多種免疫應答現象(圖1)。
研究還發現,外泌體內存在分泌細胞來源的mRNA和miRNA,能夠參與細胞間遺傳信息的傳遞與控制。在本文中,我們主要闡述外泌體在免疫系統中的作用,以及至今的研究發現和未來的研究前景。
抗原提呈中外泌體的作用
免疫系統中外泌體的組成分子
圖2. 免疫系統中外泌體的組成分子
樹突狀細胞是免疫系統中分泌外泌體最活躍的細胞。樹突狀細胞是抗原提呈細胞的一種,能通過吞噬入侵體內的細菌等異物,在切斷抗原肽后,與 MHCⅡ類分子結合并提呈在細胞表面來激活T細胞。
此外,細胞內的抗原肽利用MHCⅠ類分子提呈,樹突狀細胞分泌的外泌體攜帶MHCⅠ類和Ⅱ類分子(圖2),它們分別與抗原特異性CD8+ 細胞殺傷性T細胞、CD4+ 輔助T細胞的T細胞受體結合,在遠離樹突狀細胞處也可以激活T細胞。
然而,由于激活T細胞的重要共刺激分子在外泌體表面的表達量比在樹突狀細胞表面的表達量低,因此,與樹突狀細胞直接激活T細胞的情況相比,外泌體的激活能力要低5~10%。外泌體不僅能通過運輸抗原肽-MHC復合物來實現直接的抗原提呈作用,還可通過滲入其他抗原提呈細胞,將抗原傳遞給細胞內的MHC分子,間接促進抗原提呈作用。
外泌體除了含有抗原肽-MHC復合物外,還含有各種分泌細胞來源的抗原,可運輸至抗原提呈細胞(圖2)。
例如,在癌細胞來源的外泌體中含有癌細胞來源的各種蛋白質,它們被樹突狀細胞攝入后,通過抗原蛋白的分解和MHCⅠ類分子的交叉呈遞,激活具有癌細胞特異性的細胞殺傷性T細胞。
通過利用這個機制,可以開發癌細胞來源的外泌體抗腫瘤免疫療法。巨噬細胞等吞噬細胞來源的外泌體中含有吞噬的細菌來源的抗原,通過外泌體將這些抗原轉移到抗原提呈能力更強的樹突狀細胞中,可促進T細胞的有效激活。有望利用這個機制,開發有效的疫苗。
通過外泌體傳遞RNA
外泌體不僅含有蛋白質抗原,還含有分泌細胞來源的mRNA或non-coding RNA(特別是miRNA),其功能引起廣泛關注。外泌體的脂質雙分子層膜可保護這些RNA,不被RNase分解,在血液、體液中穩定存在。在外泌體及其分泌細胞中均可檢測出RNA,也存在僅能在其中之一檢測出RNA的情況,因此我們設想存在一種可以選擇性將特定的RNA吸收至外泌體的機制。
進入靶細胞的外泌體與核內體膜融合,將其運載的RNA釋放至靶細胞的細胞質中。釋放出來的mRNA被翻譯成蛋白質,而miRNA卻抑制靶基因的翻譯,因此表明外泌體可以調節靶細胞內的基因表達。
在免疫系統中,設想這個機制是遭遇外敵入侵的免疫細胞通過RNA向未遭遇入侵的細胞水平傳遞自身的活性狀態,二者可以共同作為抵御外敵入侵的一種手段。
外泌體的免疫應答調節   
外泌體裝載著各種免疫相關分子,通過這些分子來調節免疫應答。例如,在細胞殺傷性T細胞或者自然殺傷性細胞來源的外泌體上,攜帶Fas配體、TRAIL、CD40配體等TNF家族蛋白,可誘導靶細胞凋亡(圖2)。
有報道稱,癌細胞中也可以釋放裝載著Fas配體或TRAIL等的外泌體,誘導免疫細胞凋亡,使癌細胞免受免疫細胞的攻擊。一般情況下,TNF家族蛋白以膜結合形式產生,被膜型金屬蛋白酶切割后轉變為可溶性蛋白。膜結合蛋白主要擔負誘導細胞凋亡的功能,但可溶性蛋白的活性較弱。
外泌體上的TNF家族蛋白不能被膜型金屬蛋白酶切割,故較為穩定,同時借助膜形成三聚體,具有很強的誘導細胞凋亡的活性。而且,人們認為外泌體的轉運TNF家族蛋白,與各種炎癥疾病和自身免疫疾病的產生相關。
例如,從類風濕關節炎患者的滑膜成纖維細胞中釋放出來的外泌體上,聚集高濃度的膜結合型TNF-α,會加重類風濕關節炎病情。
也有報告指出,癌細胞來源的外泌體,除了能誘導免疫細胞凋亡外,還具有各種免疫抑制效果。例如,當外泌體作用在自然殺傷細胞時,可抑制癌細胞識別機制中的NKG2D受體的表達,從而降低癌細胞的殺傷性。
另外,如果癌細胞來源的外泌體進入單核細胞,通過外泌體內所含的TGF-β或前列腺素E2等的作用,單核細胞會被誘導分化為髓源性免疫抑制細胞。髓源性免疫抑制細胞釋放出IL-10等各種免疫抑制分子,抑制免疫細胞活化或抑制T細胞的誘導,從而抑制抗腫瘤免疫。癌細胞通過利用抑制免疫細胞攻擊自身這一機制,進而促進癌癥的發展。
綜述
本文聚焦外泌體在免疫系統中的作用,闡明外泌體由神經系統、內分泌系統等各種類型的細胞釋放出來,通過運輸蛋白質、脂質、mRNA和miRNA等物質,參與各種生理現象和疾病發展。
已知外泌體會隨著年齡的增加顯著增多,因此也有人認為,外泌體也與增齡帶來的組織萎縮相關。本文中記載了到目前為止關于外泌體在免疫系統中的作用,如在抗原提呈、炎癥疾病/自身免疫疾病、癌癥的進展等方面的作用,但這些現象的驗證實驗,是通過從培養細胞上清中提純濃縮外泌體實現的,但還不能確定在生物體內也存在這些作用。
揭示外泌體生理作用的唯一方法就是明確外泌體的釋放機制,通過刺激或抑制這些機制,闡明其引起的生理現象,并期待更進一步的研究。
截至目前,提取外泌體的方法主要是PEG沉淀試劑盒法超速離心法,但這兩種方法所提取的外泌體中所含雜質非常多,根本無法確定實驗結果是否與外泌體的組成分子有關。
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通過了解外泌體在免疫系統中的作用,還可利用外泌體開發新型的治療方法。如本文所述,通過抑制癌細胞來源的外泌體的功能,可提高抗腫瘤免疫的效果。另外,通過移除癌癥患者血液中癌細胞來源的外泌體,也可能成為一種有效的治療方法。
反之,通過控制樹突狀細胞等的功能,促進免疫抑制性外泌體的產生,也可以應用于炎癥患者或自身免疫疾病患者的治療上。期望經過今后的研究發展,可以增加對外泌體功能的認知及擴大其在臨床研究上的應用,并將外泌體應用于各種疾病治療中。
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本文由金澤大學醫學系免疫學華山力成教授執筆,收錄于和光純藥時報Vol.84 No.1(2016年1月號)
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