外泌体成为治疗糖尿病的新策略

2022 年 3 月 最新一期Dovepress旗下期刊INT J NANOMED发表一篇题为Exosomes as Promising Nanostructures in Diabetes Mellitus: From Insulin Sensitivity to Ameliorating Diabetic Complications的文章，综述了外泌体作为糖尿病中有前途的纳米结构：从胰岛素敏感性到改善糖尿病并发症，作者Ashrafizadeh M, Kumar AP等来自新加坡国立大学等。

糖尿病（DM）是一种慢性代谢性疾病，由于生活方式和肥胖，其发病率在发达国家和富裕国家呈上升趋势。DM 的治疗一直备受关注，并且在该领域做出了重大努力。外泌体属于具有纳米级特征（30-150 nm）的细胞外囊泡，参与细胞间通讯和保持体内平衡。

外泌体的功能根据它们的货物而不同，它们可能含有脂质、蛋白质和核酸。作者重点关注外泌体在 DM 治疗中的应用；葡萄糖和脂质水平都受到外泌体的显着影响，这些纳米结构增强了脂质代谢并减少了其沉积。

此外，外泌体促进葡萄糖代谢并影响 DM 中糖酵解酶和葡萄糖转运蛋白的水平。I 型糖尿病是由胰腺中 β 细胞的破坏引起的，外泌体可用于改善这些细胞中的细胞凋亡和内质网 (ER) 应激。

外泌体在介导胰岛素抵抗/敏感性方面具有双重功能，M1巨噬细胞衍生的外泌体抑制胰岛素分泌。外泌体可能含有miRNAs，通过在细胞间转移，可以调节AMPK、PI3K/Akt、β-catenin等多种分子通路，影响糖尿病进展。

值得注意的是，外泌体存在于血液循环等不同的体液中，它们可以作为诊断糖尿病患者的生物标志物。未来的研究应侧重于工程化源自间充质干细胞等来源的外泌体，将其作为一种新的策略来治疗糖尿病。

糖尿病

糖尿病是一种代谢疾病，会改变蛋白质、脂肪和碳水化合物的代谢。糖尿病的发病率似乎在不同的时间线呈上升趋势。2019年，全球糖尿病患病率为9.3%；2030 年似乎为 10.2%，2045 年更高（10.9%）。

有趣的是，糖尿病的发病率在城乡不同。据估计，城市地区糖尿病患病率为10.8%，农村地区为7.2%。此外，与低收入国家相比，糖尿病在富裕国家更为常见，分别为 10.4% 和 4%。

美国、印度和中国的糖尿病发病率高于世界其他国家。多种因素可导致糖尿病 发展，包括胰岛素分泌不足、β 细胞无法分泌胰岛素以及周围区域的胰岛素分布减少。

I 型糖尿病 (TIDM) 和 II 型糖尿病 (TIDM) 是临床过程中在患者中观察到的最常见的糖尿病类型。TIDM 是一种自身免疫性疾病，其中免疫系统不适当地影响胰腺中的 β 细胞并去除他们的胰岛素分泌能力和降低血清葡萄糖水平。TIDM 的治疗似乎至关重要，缺乏管理会导致严重的并发症。TIDM是β细胞分泌胰岛素的最常见类型。

然而，细胞对胰岛素没有反应，会发生高血糖症。TIDM 的发生在肥胖患者中更为常见。另一种糖尿病，称为妊娠 DM，发生在孕妇中，导致对胰岛素的敏感性显着降低。糖尿病发展的确切原因尚未完全清楚。有多种假设和实验来寻找糖尿病发展的根本原因。诸如功能障碍、缺乏运动、感染和毒素等环境因素可导致糖尿病发展。糖尿病的遗传改变和家族史是糖尿病发展的其他原因。基因组实验揭示了不同基因位点在糖尿病中的作用，这些基因中的大多数表现出在胰腺 β 细胞中的表达并调节这些基因的反应细胞凋亡、炎症和免疫系统。

糖尿病与治疗

已经使用了多种疗法来治疗糖尿病，并且每种疗法都有其自身的优点和缺点。由于植物衍生的天然产品具有改善糖尿病并发症的能力，它们已被用于治疗 糖尿病。

姜黄素是一种具有不同药理活性的植物化学物质，包括抗氧化、抗炎和抗糖尿病等。姜黄素可改善 DM 期间心肌细胞的凋亡和氧化损伤，为此，姜黄素可诱导 PI3K/Akt 和SIRT1/FOX1 通路。

临床试验证明姜黄素在降低糖尿病患者的氧化应激和炎症评分中的作用。槲皮素是另一种植物化学物质，其给药似乎有益于治疗不同疾病，如癌症、糖尿病和心血管疾病，槲皮素诱导 AMPK 信号传导以增加 SIRT1 的表达，从而抑制 NF-κB 信号传导，这与减少氧化应激和炎症以及随后预防糖尿病介导的动脉粥样硬化相关。

此外，槲皮素和维生素 E 的组合可预防线粒体功能障碍并抑制细胞凋亡以减轻睾丸损伤在 糖尿病 中。

白藜芦醇也是一种非黄酮类多酚，可以减少氧化损伤和炎症，其给药在治疗神经系统疾病和糖尿病方面很有前景。白藜芦醇可以预防糖尿病期间的不孕症以及与达格列净联合给药抗糖尿病药物可提高降低血糖水平的能力。

基于核酸的药物，包括小干扰 RNA (siRNA) 和短发夹 RNA (shRNA) 用于 DM 治疗。siRNA 下调 Cyp4a14 和 P2X7 可改善糖尿病肾病。此外，shRNA 下调 CTGF 和 P2Y12 可改善视网膜病变并预防糖尿病治疗中的炎症。

然而，这些疗法存在药物生物利用度差和降解等问题血清中的 siRNA 为了提高其功效，建议应用纳米结构。值得注意的是，最近的实验集中在使用纳米结构治疗糖尿病。负载香附子的氧化锌纳米结构能够通过下调 NLRP3 来减轻炎症，从而改善糖尿病视网膜病变。

恩格列净是一种可以通过纳米结构递送的抗糖尿病药物，这反过来又增强了其减轻炎症和氧化应激的能力。糖尿病神经病变。基于壳聚糖的纳米颗粒还提供二甲双胍以降低血糖水平。纳米颗粒可以在糖尿病治疗中提供药物的持续释放。因此，纳米颗粒在糖尿病治疗中的应用似乎很有前景，因此在接下来的部分，我们专注于外泌体作为糖尿病治疗中的纳米结构。

外泌体和β细胞功能

胰腺中有大量的朗格汉斯胰岛，估计有 100 万个，每个胰岛由大约 1000 个 β 细胞组成，总重量为 0.9 克。β 细胞对 DM 和肥胖等各种条件作出反应。有趣的一点是肥胖个体的β细胞团。

肥胖患者血浆中胰岛素水平升高，称为高胰岛素血症，是预防胰岛素抵抗的一种补偿过程。因此，肥胖患者的 β 细胞数量增加，从而诱发高胰岛素血症。

啮齿动物的肥胖模型表明，由于肥胖，β 细胞数量增加了 3 倍。可以观察到 β 细胞破坏或缺乏胰岛素分泌能力在 TIDM 中，根据一项实验，TIDM 患者的 β 细胞质量在很长一段时间内下降到接近 100%。

然而，在 TIIDM 中存在一些见解，即由于 TIIDM 患者的胰岛素水平很高， TIID 中 β 细胞的质量不变或增强。因此，β细胞功能及其质量对于预防DM很重要。

外泌体和胰岛素抵抗

胰岛素抵抗在糖尿病患者的治疗中是一个日益严峻的挑战，这意味着发生了胰岛素浓度-效应曲线的变化，并且趋向于更高的浓度水平以发挥类似的作用。

细胞对胰岛素的无反应和诱导胰岛素抵抗在 TIIDM 中很常见，在某些情况下，在肥胖人群中也可以观察到。胰岛素由 54 个氨基酸组成，这种肽在 β 细胞中产生。

胰岛素的作用是显着促进细胞内的葡萄糖消耗，并抑制肝葡萄糖的产生。此外，胰岛素通过上调 GLUT4等 GLUT 的表达和活性来增强细胞对葡萄糖的摄取。

然而，有一些原因导致胰岛素抵抗。例如，在肥胖人群中，脂肪堆积会导致促炎细胞因子释放、脂肪分解增加和脂肪因子释放减少。这些影响导致与胰岛素抵抗相关的脂肪酸和游离甘油水平升高。

最近的实验集中在纳米结构在逆转胰岛素抵抗中的应用。MgO 纳米结构具有降低胰岛素抵抗高达 29.5% 的能力。

另一项研究揭示了钆富勒烯纳米结构通过诱导 IRS-2/PI3K/Akt 轴改善胰腺功能和抑制胰岛素抵抗的潜力。

外泌体和糖尿病并发症治疗

外泌体在糖尿病伤口愈合中的作用

糖尿病的伤口愈合过程延迟，患者容易出现慢性不愈合伤口。在糖尿病伤口中，促炎细胞因子和蛋白酶水平高，生长因子水平低。更多超过 70% 的 糖尿病 患者接受糖尿病药物治疗，而对于这些药物对伤口愈合过程的影响知之甚少。

伤口愈合过程复杂，会发生各种细胞和分子机制，包括炎症、增殖、血管生成、胶原沉积和重新上皮化。伤口愈合的第一步是募集免疫细胞以消除病原体，然后步骤，伤口相关基因通过切割表皮边缘进行过度表达以介导细胞迁移。下一步是成纤维细胞的增殖和迁移以产生伤口肉芽组织，并且许多成纤维细胞可能发生分化以改善伤口收缩。然后，血管生成，伤口愈合过程结束。这些过程中的每一个过程中的干扰都可能导致伤口愈合延迟。

最近的一项实验揭示了源自人类羊膜上皮细胞的外泌体在改善糖尿病伤口愈合过程中的潜力。

外泌体呈杯形或球形，粒径为105.89 nm。它们对 CD63 和 TSG101 呈阳性，并且它们被 HFB 和 HUVEC 吸收。这些外泌体能够促进 HFB 的生长和迁移，同时诱导 HUVEC 中的血管生成。

这些外泌体刺激 PI3K/Akt/mTOR 轴以诱导血管生成并改善成纤维细胞功能，从而促进 DM 中的伤口愈合。因此，诱导血管生成似乎有利于改善糖尿病中的伤口愈合过程。

更多研究揭示了外泌体在促进 FGF-1、VEGFA、VEGFR-2、ANG-1、E-选择素、CXCL-16、eNOS 和 IL-8 的表达水平以改善糖尿病伤口愈合过程的潜力。

此外，富含 miRNA-221-3p 的外泌体在促进 DM 伤口愈合，增加蛋白质水平 VEGF 和 CD31 的表达水平，促进细胞增殖。此富含 miRNA-221-3p 的外泌体诱导 AGE/RAGE 轴改善 DM 的伤口愈合过程。根据这些实验，外泌体主要参与改善 DM 的伤口愈合过程，以及不同的细胞，包括内皮细胞和成纤维细胞受到影响。

外泌体改善糖尿病神经病变

大约 50% 的 DM 患者因弥漫性和局灶性神经系统损伤而表现出神经病变。1神经病变在糖尿病患者中很普遍，会导致跌倒、疼痛和生活质量下降。

糖尿病神经病变在美国每年造成 100 亿美元的损失。因此，应努力预防和管理糖尿病性神经病变。值得注意的是，抗糖尿病药物已显示出改善糖尿病相关脑损伤的潜力。

抗糖尿病药物可以显着减少神经炎症和氧化损伤，从而预防阿尔茨海默病和帕金森病等神经系统疾病的发展。此外，GLP-1R 和 DPP-4i 等抗糖尿病药物可以改善神经发生和认知功能。

外泌体可以调节神经元的凋亡。芍药苷的给药改善了来自雪旺细胞的外泌体的治疗效果，并促进了内质网的稳态和完整性。

此外，芍药苷干预通过下调 GRP78 和 IRE1α 提高外泌体预防神经元凋亡的能力。这些相互作用对于预防 DM 中的神经病变至关重要。

从间充质干细胞中分离的外泌体显示出改善糖尿病周围神经病变的潜力。受这些外泌体影响的潜在分子途径非常重要。来自间充质干细胞的外泌体具有携带miRNA-146a的能力。富含 miRNA-146a 的外泌体提高了神经传导速度，同时它们可以降低热和机械刺激阈值。这些外泌体通过单核细胞预防炎症并抑制内皮细胞活化以改善糖尿病神经病变。富含 miRNA-146a 的外泌体可以抑制 TLR-4/NF-κB 轴，从而减轻糖尿病神经病变。

外泌体增强肾细胞的活力

肾病是糖尿病的另一种并发症，可导致终末期肾病。肾病的发病率似乎为 25%。各种机制导致糖尿病肾病的发展。高血糖可通过产生 Amadori 产物和晚期糖基化终产物而导致糖尿病肾病。

此外，高血糖通过诱导电子传递链介导糖尿病肾病显着提高 ROS 水平。糖尿病肾病的治疗仍然具有挑战性，需要开发动物模型以有效了解其发病机制和药物靶点。

外泌体的纳米颗粒可以提供肾细胞的选择性靶向，并提高抗糖尿病药物（如大黄酸）的疗效。此外，外泌体的纳米结构可以改善足细胞损伤和减轻白蛋白尿，用于治疗糖尿病肾病。

此外，外泌体抑制足细胞和肾小管上皮细胞的凋亡并增强糖尿病大鼠的内皮细胞生长。

更多研究表明，外泌体携带高水平的 TGF-β1、血管生成素和 BMP-7，有利于增强肾细胞的活力和诱导糖尿病中的血管再生。

外泌体对糖尿病肾病具有治疗作用。来自间充质干细胞的外泌体具有高水平的 miRNA-125b，可下调 TRAF6 以诱导 Akt 信号传导，从而导致自噬诱导和减少细胞凋亡，这对于缓解糖尿病肾病具有重要意义。

外泌体改善勃起功能障碍

勃起功能障碍被定义为无法维持阴茎勃起至少 6 个月。糖尿病被认为是勃起功能障碍的危险因素。这种疾病会降低男性的生活质量和自尊，其发病率在19-90%，并且可能在糖尿病开始前 10 年发生。

勃起功能障碍是一种多因素疾病。除了糖尿病，吸烟、心血管疾病、血脂异常、高血压和肥胖是与勃起功能障碍发展相关的其他因素。导致勃起功能障碍的最常见因素是介导动脉流入或静脉流出障碍的血管生成因素。

与胶原蛋白相比，外泌体来源于脂肪干细胞并通过海绵体内途径给药，以促进海绵体内压力并增强平滑肌水平，这通过 CD31 过表达揭示。

此外，外泌体降低 caspase-3 的表达水平，同时促进 Bcl-2 的表达以防止细胞凋亡。根据结果，脂肪干细胞来源的外泌体是缓解糖尿病勃起功能障碍的治疗剂。脂肪干细胞来源的外泌体可诱导血管生成，增加内皮细胞的增殖率，并预防勃起功能障碍。此外，这些外泌体减少了海绵体纤维化。

更多研究表明，源自脂肪干细胞的外泌体携带高水平的 miRNA-126、-130a 和 -132 作为促血管生成因子，以及 miRNA-let7b 和 -let7c 作为抗纤维化因子。根据实验，预防纤维化是改善 DM 引起的勃起功能障碍的最佳选择。源自平滑肌细胞的外泌体增强平滑肌含量并减少胶原蛋白积累以发挥抗纤维化活性。为此，外泌体上调 eNOS 和 nNOS 的表达水平以诱导 NO/cGMP 轴改善糖尿病的勃起功能障碍。

心血管疾病：外泌体诱导或抑制心脏损伤

糖尿病会对心脏产生负面影响，并可能发展为各种心血管疾病，如动脉粥样硬化。

细胞凋亡和坏死是糖尿病期间心肌细胞中常见的两种细胞死亡类型。高血糖与糖尿病性心肌病中的细胞死亡有关，并且已经努力使用治疗性纳米结构来缓解这种情况。

最近的一项实验表明，外泌体可以从副交感神经节神经元 (PGN) 中分泌和分离，它们显示出治疗糖尿病性心肌病的能力。高葡萄糖水平通过下调 Bcl-2 和上调 Bax 和 caspase-3 降低 H9C2 细胞的存活率并诱导细胞凋亡。源自 PGN 的外泌体改善了糖尿病性心肌病并防止了细胞凋亡。

TIIDM 的另一个负面影响是血管滋养管 (VV) 血管生成，它促进了斑块破裂的可能性。胰岛素抵抗脂肪细胞具有分泌外泌体的能力。这些外泌体很容易被内皮细胞吸收，在小鼠体内实验表明，它们在静脉内给药后具有穿透内皮细胞的能力。

值得注意的是，这些外泌体含有 Sonic Hedgehog，它们可以在主动脉斑块中诱导 VV 血管生成。Gli1 是 Sonic Hedgehog 的下游靶点，这些外泌体可促进糖尿病小鼠的斑块负荷。

糖尿病患者易患动脉粥样硬化，这是心血管并发症之一。暴露于高葡萄糖的巨噬细胞分泌外泌体并促进造血、动脉粥样硬化病变和一些骨髓细胞。

此外，这些外泌体通过上调糖酵解提高了细胞生长速率并诱导了代谢谱的变化。进一步的研究表明，来自巨噬细胞的外泌体具有高水平的 miRNA-486-5p，这些 miRNA-486-5p 介导了它们在 DM 中加重动脉粥样硬化的潜力。心肌纤维化也是 DM 中的另一个挑战。

值得注意的是，TGF-β/Smad 信号传导参与了纤维化。从间充质干细胞中分离的外泌体可通过抑制 TGF-β 信号传导降低 Smad2 的表达水平，从而改善 DM 中的心肌纤维化。基于这些实验，外泌体可以双重作用在这种情况下，通过携带各种货物（例如 miRNA）来诱导或抑制心脏损伤。工程化新型外泌体有助于预防 DM 介导的心脏损伤。

眼疾

外泌体的给药途径似乎对其对视网膜的保护作用很重要。来自脂肪间充质干细胞的外泌体的静脉内给药增加了层的厚度并诱导了神经节层的不规则性。与静脉内给药相比，外泌体的结膜下给药产生更好的结果，并以良好的方式组织视网膜的细胞成分。

眼内给药被认为是最佳途径，并改善了与正常视网膜相似的视网膜层。据报道，高血糖会降低 miRNA-222 的表达。来自间充质干细胞的外泌体促进 miRNA-222 表达以改善 DM 中的视网膜变性。

下一个实验将更多地阐明外泌体在缓解视网膜变性和揭示 DM 中潜在的分子途径方面的作用。

基于这些实验，会发生各种糖尿病并发症，包括神经病、肾病、内皮功能障碍、勃起功能障碍、伤口愈合延迟、心血管疾病和眼部疾病，这些并发症可以通过基于货物的外泌体得到改善或加重。各种分子途径，包括 VEGF、IRE1α、Bax、caspase-3 和 NLRP3，都受到来自不同来源的外泌体的影响，例如脂肪干细胞、间充质细胞和巨噬细胞。

图1：外泌体和糖尿病并发症。外泌体可以改善各种糖尿病并发症，包括眼部疾病、心血管疾病、肾病、神经病、伤口愈合延迟和内皮功能障碍。神经病和肾病是糖尿病最常见的并发症。细胞凋亡、自噬、血管生成和纤维化是受外泌体影响以减轻糖尿病并发症的最常见分子机制之一。

图2：外泌体及其在糖尿病治疗中的潜力的总结。该示意图表明，糖和脂质代谢、β 细胞的活力和存活以及细胞凋亡和 ER 应激等重要分子机制受到外泌体的严格调控，从而为 DM 及其并发症的治疗提供了新的见解。

近年来，用于治疗糖尿病的疗法发展势头迅猛，这也是这种代谢紊乱的高发病率和生活方式改变的原因。糖尿病可以发生在发展中国家和发达国家，由于生活方式的原因，在城市地区比在农村地区更常见。在糖尿病中，会发生高血糖症，这可能导致并发症和对细胞的负面影响，例如细胞死亡和活力降低。本综述旨在研究外泌体作为纳米结构在治疗糖尿病中的作用。

葡萄糖摄取和代谢以及脂质代谢在糖尿病期间发生变化。外泌体可以增强 糖尿病中葡萄糖和脂质的代谢。外泌体的影响会因货物而异。例如，富含 miRNA-210 的外泌体抑制葡萄糖摄取，而触发 AMPK 信号传导的外泌体可以诱导自噬，从而增强葡萄糖和脂质代谢。

有趣的一点是外泌体可以影响糖尿病中的 β 细胞。源自胰腺癌细胞的外泌体损害 β 细胞功能并导致 DM 发展。值得注意的是，外泌体还可以通过上调 Pdx-1、TGF-β、Smad2 和 Smad3 的表达水平来促进 β 细胞的再生和功能。

因此，外泌体同时具有促糖尿病和抗糖尿病活性。同样的故事也发生在胰岛素抵抗中。富含 miRNA-3075 的外泌体可诱导胰岛素敏感性，而降低 IRS-1、HSL 和 PI3K/Akt 表达水平的外泌体可刺激胰岛素抵抗。

糖尿病并发症，包括视网膜变性、骨质疏松症、糖尿病伤口愈合、动脉粥样硬化、神经病变和肾病，可以受到外泌体的双重调节。有趣的一点是评估外泌体在 DM 患者中的功能的临床试验，基于这些研究，外泌体可以来自各种来源，例如尿液，以检测妊娠晚期的妊娠 DM。外泌体中 miRNA、lncRNA 和 circRNA 的富集决定了外泌体在 DM 中的功能及其生物标志物作用。尽管不同的实验探索了外泌体在 DM 中的作用，但仍存在一些局限性，应成为未来研究的重点。大多数研究忽视了 DM 中外泌体影响的潜在分子途径。此外，外泌体的表面修饰或在外泌体中装载货物可以促进它们在 DM 治疗中的治疗活性，这已被当前实验所忽视。