Cell：來自活化PMN細胞的外泌體竟是導致慢性阻塞性肺病的致病元兇

這種致病實體是由活化的多形核白細胞（polymorphonuclear leukocyte, PMN）分泌的外泌體（exosome）。外泌體是一種微小的亞細胞顆粒。當將從活化的PMN細胞收集的外泌體灌註到健康小鼠的肺部中時，它們導致COPD肺部組織損傷。值得注意的是，這些研究人員還收集了來自人類COPD患者和新生的患有支氣管肺發育不良的重症監護病房嬰兒的肺液中的外泌體；當將這些來自人體的外泌體灌註到健康小鼠的肺部時，它們也會引起COPD肺部組織損傷。這種損傷主要來自人肺部PMN細胞分泌的外泌體。

以免疫細胞炎症和組織破壞為特徵的其他疾病包括心臟病、轉移性癌症和慢性腎病。在具有由過量的PMN細胞導致的炎症的其他肺病（比如囊性纖維化）中，活化的PMN細胞分泌的外泌體也可能導致肺部損傷。

美國國家心肺血液研究所肺病科主任James Kiley博士（未參與這項研究）說，「這些研究結果突出了先天免疫反應在慢性肺病中的新作用，並且可能用於開發針對COPD和囊性纖維化的新型診斷方法和治療方法。」

背景

COPD是一種吸煙相關疾病，其特徵在於肺部PMN細胞導致的炎症。肺部損傷導致氣道阻塞、呼吸短促和呼吸功能衰竭。PMN細胞，也稱為中性粒細胞（neutrophil），是身體抵抗感染和組織損傷的白細胞防禦的一部分。它們占身體白細胞的60％，因此每品脫血液大約含有25億個PMN細胞。在遭受感染信號激活後，PMN細胞貪婪地吞噬微生物或受損的人細胞。

所有細胞都分泌外泌體。這些微小的膜結合胞外囊泡能夠作為細胞間通信的介質，而且它們能夠將不同類型的蛋白、脂質和核酸在細胞間運送。這項新研究的重點是最近發現的外泌體的第三種作用—能夠攜帶蛋白酶。

已知活化的PMN細胞釋放中性粒細胞彈性蛋白酶（neutrophil elastase, NE），即一種可降解I型膠原蛋白和彈性蛋白的蛋白酶。膠原蛋白和彈性蛋白有助於形成將細胞黏連在一起的胞外基質。在肺部，胞外基質和肺細胞有助於形成微小的肺泡，在那里，肺部交換氧氣和二氧化碳。在COPD中，受損的肺泡增大，減少氧氣交換並迫使心臟更努力地泵血以便將血液泵送到肺部。

NE和來自PMN細胞的其他蛋白酶能夠攻擊微生物。健康的肺部受到抑制這些蛋白酶的抗蛋白酶抑制因子（anti-protease）的保護。在正常情形下，NE受到肺中強大的α1-抗胰蛋白酶（alpha1-antitrypsin）屏障的抑制。

這項新的研究

Blalock及其同事們研究了NE是否可能存在於外泌體中，以及這些外泌體是否可能繞過α1-抗胰蛋白酶的抑制而導致炎症性肺病。他們發現來自靜止的PMN細胞的外泌體在被轉移到健康小鼠體內時不會導致COPD。相反，從肺泡的組織學變化、增加的肺阻力和將血液泵送到肺部的右心室擴大來衡量，來自活化的PMN細胞的外泌體確實導致COPD。

活化的PMN細胞分泌的外泌體覆蓋有酶活性的結合到表面上的NE，而靜止的PMN細胞分泌的外泌體則沒有。這種表面結合的NE抵抗α1-抗胰蛋白酶的抑製作用；活化的PMN細胞分泌的外泌體降解膠原蛋白，當它們進入小鼠肺部時，它們引起肺氣腫，而且它們攜帶PMN細胞表面標誌物CD63和CD66b，這兩種標誌物表明它們來自PMN細胞。來自COPD患者肺部的攜帶這些PMN細胞表面標誌物的外泌體導致小鼠患上COPD。

極大劑量的純化NE足以破壞α1-抗胰蛋白酶屏障，從而能夠導致小鼠肺泡增大。這些研究人員發現鑒於結合到外泌體表面上的NE免受α-1-抗胰蛋白酶抑制，導致相同肺部損傷所需的由活化的PMN細胞分泌的外泌體在劑量上要比純化的NE少1萬倍。

活化的PMN細胞分泌的外泌體在它們的表面上攜帶著整合素Mac-1是它們導致蛋白顯著降解的另一個原因。整合素Mac-1允許這些外泌體直接結合到膠原原纖維上。這是除了受保護的NE之外的第二種機制，它可能解釋了相比於這些外泌體的大小和蛋白酶負荷，它們具有更大的蛋白降解能力。

Blalock說，「這項研究進一步地揭示了炎症、蛋白水解和基質重塑之間的相互作用，對未來的研究產生深遠的影響。我們的研究顯著地擴大了外泌體的生物學特性，從而證實了這些胞外顆粒對細胞產生強大的生物學影響。」

展望未來

這項研究還提出了干擾PMN細胞分泌的外泌體的致病作用的治療策略：（1）破壞NE與外泌體之間的離子結合，從而將NE驅逐出去並讓它對α1-抗胰蛋白酶變得敏感；（2）抑制外泌體表面上的整合素Mac-1可阻斷膠原蛋白結合；（3）利用小分子化合物直接抑制外泌體表面上的NE。

Blalock也對另一個重大問題—健康吸煙者的外泌體活性—感興趣。他說，「僅七分之一或八分之一的吸煙者患上COPD。如果我們在吸煙的一小群人中發現活化的PMN細胞分泌的外泌體，那麼這將會是一個令人吃驚的結果。」這些人可能應當注意他們面臨的風險。這項新的研究花了6年的時間。

參考資料：Kristopher R. Genschmer et al.Activated PMN Exosomes: Pathogenic Entities Causing Matrix Destruction and Disease in the Lung, Cell (2019). DOI: 10.1016/j.cell.2018.12.002.

Cell：細胞治療領域觀察者

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