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文献综述:带你了解外泌体在呼吸系统疾病中的大作为

文献综述:带你了解外泌体在呼吸系统疾病中的大作为

【概要描述】呼吸系统疾病主要包括慢性阻塞性肺病(COPD)、哮喘、呼吸道感染、肺结核、间质性肺病、肺癌等,其中肺癌在全球的发病率和死亡率均居首位,而至今仍然在全球爆发蔓延的COVID-19导致了重大的人员死亡和经济负担。

文献综述:带你了解外泌体在呼吸系统疾病中的大作为

【概要描述】呼吸系统疾病主要包括慢性阻塞性肺病(COPD)、哮喘、呼吸道感染、肺结核、间质性肺病、肺癌等,其中肺癌在全球的发病率和死亡率均居首位,而至今仍然在全球爆发蔓延的COVID-19导致了重大的人员死亡和经济负担。

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呼吸系统疾病主要包括慢性阻塞性肺病(COPD)、哮喘、呼吸道感染、肺结核、间质性肺病、肺癌等,其中肺癌在全球的发病率和死亡率均居首位,而至今仍然在全球爆发蔓延的COVID-19导致了重大的人员死亡和经济负担。所以,深入研究呼吸系统疾病的发病机制将为疾病的有效防治提供策略。呼吸系统疾病的发生和发展通常取决于环境压力(吸入的污染物、病原菌感染)、免疫系统(多种免疫细胞和细胞因子)、遗传驱动因素之间的相互协调、相互作用以及多种类型的肺细胞之间的交流,同时外泌体在肺部微环境中发挥重要作用,并可以作为多种肺部疾病的标志物1。那么外泌体在呼吸系统疾病中主要参与哪些方面呢?怎么样系统性研究外泌体在呼吸系统相关疾病发生机制中的功能呢?今天太阳集团城官方app视角通过3篇外泌体与呼吸系统疾病机制研究的案例,为粉丝们解读外泌体在呼吸系统疾病诊疗中的研究进展和研究思路。

 

| 案例一  气道上皮细胞外泌体促进树突状细胞介导的T细胞反应引发过敏性哮喘

本研究于2021年发表在J Allergy Clin Immunol杂志 (IF=10.793)2。研究者首先发现房尘螨(HDM)刺激后的小鼠气道上皮细胞(AEC,airway epithelial cell)分泌的外泌体(HDM-AECs-EXO)可以诱导肺部树突状细胞(DC,dendritic cell)积累导致正常小鼠过敏性哮喘,并且过继EXO诱导产生的DC就可以造成正常小鼠过敏性哮喘的发生(图1A、B)。

随后,通过蛋白质组学发现相较于对照组(PBS处理的小鼠AEC-EXO),实验组HDM-AECs-EXO(HDM诱导的哮喘小鼠的AEC-EXO)中含有更多的CNTN-1(contactin-1,一种细胞黏附分子)蛋白,并通过WB和免疫荧光验证了CNTN-1蛋白的高表达(图1C)。接着,通过对小鼠尾静脉注射NC-siRNA和CNTN-1-siRNA发现CNTN-1-siRNA可抑制DC成熟和DC亚群在肺中的积累,增加小鼠血清IgE和肺组织裂解液中细胞因子IL-4, IL-5, IL-13, IL-17A 水平,证明了CNTN1发挥过敏性气道的促炎作用(图1D)。

此外,有研究已经表明CNTN1可以作为Notch的功能性配体,作者通过免疫共沉淀发现了CNTN1可以与 Notch2结合(图1E),抑制Notch信号通路后,CNTN1在气道过敏中的作用减弱。最后,研究者通过ELISA发现CNTN1水平与气道炎症反应密切相关,无论是含有EXO的血清和不含EXO的血清中的CNTN1水平在哮喘患者中显著升高,且与气道炎症反应水平正相关(图1F)。

 

 

综上,本研究发现了哮喘发生的新机制:外界刺激可以促进气道上皮细胞分泌含有CNTN1的外泌体,外泌体CNTN1蛋白通过与DC细胞上Notch2受体结合,激活Notch信号通路从而活化DC细胞,加强DC细胞的抗原呈递能力,加剧肺部炎症(图1G)。 

 

 | 案例二  干扰素α/β增加外泌体的hACE2表达,阻断新冠病毒复制和感染 

本研究在2021年发表于Signal Transduct Target Ther杂志(IF:18.187)3。研究人员首先分析了人类不同细胞系中血管紧张素转化酶2(hACE2)的表达情况,发现hACE2不仅可以在细胞表面表达,还表达在细胞分泌的外泌体中(图2A)。

I型干扰素(IFN)对多种细胞类型的病毒具有广谱抗病毒活性,并充当适应性免疫应答的介质,研究人员发现IFNα/β处理增加外泌体中hACE2的表达,而敲低Hrs(ESCRT的亚基之一,控制着外泌体分泌)后,IFNα/β诱导的外泌体hACE2的表达上调受到抑制(图2B)。HEK293T细胞与病毒共培养过程加入ACE2-exo(转染hACE2质粒的HEK293T分泌的外泌体)后,病毒颗粒进入细胞的过程被阻断(图2C),与ACE2-exo共培养后SARS-CoV-2的复制也受到了抑制(图2D),且IFNα/β处理的外泌体相较于未经过IFNα/β处理的外泌体能显著抑制SARS-CoV-2的复制(图2E)。

ACE2-exo处理病毒感染的小鼠模型,ELISA检测发现小鼠血清中炎症因子(CCL2、CXCL1、IL-1β、IL-6、TNF-α)的分泌下调(图2F),且组织病理HE染色发现肺炎有所缓解(图2G)。这些发现揭示了干扰素α/β增加了外泌体hACE2的表达, 体外过表达hACE2的细胞分泌的外泌体或IFNα/β处理的细胞分泌的外泌体能竞争性阻断了病毒的进入,说明外泌体hACE2可作为潜在的抗病毒药物或靶点。

 

 

案例三  活化的多形核白细胞的外泌体导致慢性阻塞性肺病

本研究在2019年发表于Cell杂志(IF:41.582)4。研究表明了中性粒细胞弹性蛋白酶(NE,neutrophil elastase)可以抵抗α1-抗胰蛋白酶(α1AT,alpha1-antitrypsin)的酶解作用,从而破环细胞外基质(ECM,extracellular matrix),加剧肺实质变形,但是NE的具体作用机制并不清楚。研究人员推测NE可能以外泌体形式存在绕过α1AT从而导致炎症性肺病。

首先通过蛋白质组学技术筛选发现了活化的多形核白细胞(polymorphonuclear leukocyte, PMN)相较于静止的PMN分泌的外泌体表面含有更多的NE(图3A),且活化的PMN细胞的外泌体(Act exo)中的NE同样具有抗胰蛋白酶α1AT的作用(图3B)。Act exo具有降解胶原蛋白的作用,但是Act exo和NE抑制剂预处理之后,Act exo降解作用减弱,说明Act exo通过NE发挥作用(图3C),动物实验证明了Act exo可以导致健康小鼠出现肺气肿(图3D)。

最后通过超速离心法分离BALF(肺泡灌洗液)中的外泌体,发现COPD患者相较于健康对照的BALF外泌体中含有更多的活性PMN细胞表面标志物(CD63和CD66b)(图3E)。动物实验证明了患者BALF外泌体可以导致小鼠出现COPD类似症状(图3F)。

 

 

该研究揭示活化的PMN细胞分泌的外泌体表明覆盖有酶活性的NE蛋白,这种外泌体表面的NE具有抵抗α1-抗胰蛋白酶的作用,活化的PMN细胞分泌的外泌体可以降解胶原蛋白,破坏细胞外基质,引起肺气肿(图3G)。

 

 

|  结论与总结

从这几个精彩的案例总结中我们可以看出,外泌体在呼吸系统疾病的发生发展上毫无疑问发挥重要的作用。外泌体在肺部微环境的作用,可以是上皮细胞来源的外泌体影响免疫细胞功能,影响外界病原菌的作用,也可以是免疫细胞来源的外泌体对上皮细胞的作用。那么怎样才能把外泌体的价值体现出来呢,把自己的研究发到高分期刊上呢?上述的研究案例给出了一定的启示。

1) 功能分子的筛选:案例1和案例3均采用了蛋白质组学的方法检测外泌体中的功能分子,通过差异情况和文献调研锁定功能蛋白。案例2和案例3由于确定的蛋白在相关疾病中的功能和机制研究相对比较成熟,属于明星蛋白,如案例2中的hACE2影响病毒复制与感染等和案例3中的NE裂解胶原酶、破坏细胞外基质等,均已被报道。而案例研究中都只是通过移花接木,发现了这些蛋白主要通过外泌体传递作用即可,不需要过多的挖掘和探索,机制方面也没有做的太深,基本上是一些已知的功能结合外泌体进行验证。小编提醒:我们在做组学筛选蛋白分子时,众多的差异表达蛋白如何确定目标分子,除了差异倍数,尽量选择一些明星蛋白,这样有利于后续机制研究。

2) 外泌体功能蛋白作用机制的验证:动物或细胞实验确定功能分子的作用机制,此部分通常会对受体细胞采用组学或芯片的方法确定相关细胞过程和信号通路的改变。案例1确定受体细胞DC的信号通路Notch,而这是通过文献调研发现目标分子可能与Notch结合,进而进行的验证。但是很多情况下,这种文献调研的手段往往容易踏空。如果在这个环节采用太阳集团官方版提供的信号通路磷酸化抗体芯片技术进行受体细胞信号通路的筛选的话,不仅省时省力,也在一定程度上给下游机制研究保了个底。

3) 关于呼吸系统疾病,因为与气道炎症密切相关,我们少不了检测炎症因子的水平,如案例1和案例2,可以选择ELISA的方法,但是针对多个样本,多种细胞因子,ELISA不是一个最佳的选择。太阳集团官方版拥有“高通量抗体芯片”、“Luminex液相悬浮芯片”、单分子高敏Simoa技术”三个细胞因子“一站式”服务平台,三平台各具优势,经过太阳集团官方版有机组合,可满足细胞因子标志物全方位需求。

针对外泌体的作用机制研究,太阳集团官方版外泌体服务平台提供完备的技术检测服务,包括丰富多样的外泌体的提取及鉴定方法、外泌体体内外示踪、外泌体功能分子筛选及验证、外泌体机制研究常用的组学或芯片技术服务等。

 

 

丰富全面的外泌体功能研究手段全都在太阳集团官方版的武器库中(红色为太阳集团官方版特色服务),欢迎电话垂询:400-869-2936。

 

| 相关文献

[1] Nana-Sinkam S P, Acunzo M, Croce C M, et al. Extracellular Vesicle Biology in the Pathogenesis of Lung Disease. [J]. American Journal of Respiratory & Critical Care Medicine, 2017: rccm. 201612-2457PP.

[2] Md M Z, Yu Q, Md W T, et al. Epithelial exosomal contactin-1 promotes monocyte-derived dendritic cells-dominant T cell responses in asthma. [J]. Journal of Allergy and Clinical Immunology. 2021, May 3: S0091-6749(21)00720-X.

[3] Junsong Zhang, Feng Huang, et al. The interferon-stimulated exosomal hACE2 potently inhibits SARS-CoV-2 replication through competitively blockingthe virus entry. [J]. Signal Transduct Target Ther. 2021 May 12;6(1):189.

[4] Genschmer K R, Russell D W, Lal C, et al. Activated PMN Exosomes: Pathogenic Entities Causing Matrix Destruction and Disease in the Lung. [J]. Cell, 2019, 176(1-2):113-126.e15.

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发布时间:2021-08-11 17:21:10

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