1、細菌外泌體（bEVs）簡介

    細胞外囊泡（extracellular vesicles，EVs）是一類由細胞膜脫落或細胞分泌而成的雙層膜囊泡結構，其生成和釋放是一種廣泛存在于自然界中的現象。無論是哺乳動物細胞、植物還是細菌，都能釋放出大小相近的外泌體，通常在20~400nm之間。外泌體內含有豐富的蛋白質、核酸、脂質以及其他代謝產物，對于細胞或細菌的種內和種間的這種跨界交流中都起著十分重要的作用^[1-2]。此外，由于外泌體具有靶向性、生物相容性以及能夠穿過血腦屏障等優點，也使之成為當前研究的熱點之一^[3-4]。

    細菌來源外囊泡（bacterial extracellular vesicles, bEVs）是腸道內的各種菌群分泌的一種功能性納米囊泡，其中包含來自親本菌的各種生物分子。根據其來源的親本的不同，我們將它分為以下兩類（如下圖）：其中來自革蘭氏陰性菌的 bEV，稱為外膜囊泡 (outer membrane vesicles, OMVs)，起源于外膜并攜帶來自周質和細胞質成分，直徑為 20-250 nm。來自革蘭氏陽性細菌的 bEV，稱為細胞質膜囊泡 (cytoplasmic membrane vesicles，CMVs)，來源于細胞質膜并攜帶來自細胞質的物質，直徑為 20-400 nm^[5]。

不同的途徑導致形成不同的膜囊泡類型^[5]
 

2、GM來源外囊泡的研究意義

    腸道菌群分泌的細胞外囊泡，被稱為bEVs，在腸道微生態系統中扮演著關鍵的角色。這些囊泡攜帶著豐富的分子成分，包括蛋白質、核酸和脂質等，促進了微生物之間的相互作用和宿主-微生物之間的溝通，從而影響到免疫調節、代謝調控等重要的生理過程。

    同時，這些囊泡可能在腸道疾病的發展中發揮作用，例如炎癥性腸病等^[6]。通過分析bEVs中的分子組成，我們可以了解腸道菌群的狀態和宿主的健康狀況，為疾病診斷和預防提供有價值的信息。此外，腸道菌群來源外囊泡的研究也為發展新的治療策略提供了可能性，通過深入研究囊泡內攜帶的分子成分及其功能，我們可以揭示微生物-宿主之間相互作用的機制，從而探索出一些可以用來干預微生物群落與宿主之間相互影響的方法，為個體化醫療提供創新途徑。

    總之，腸道菌群來源外囊泡的研究不僅有助于深化我們對腸道微生態系統的理解，同時還為我們提供了新的思路和方法，以解析腸道健康與疾病之間的關系^[7]。
 

3、腸道菌群（GM）分泌的bEVs的研究進展

    今天小金就給大家分享最近看的幾篇有關腸道（GM）來源的bEVs在相關疾病發生、發展以及治療上的研究文章：

文獻1：來源于具核梭桿菌感染的腸上皮細胞的外泌體miR-129-2-3p通過調節TIMELESS介導的細胞衰老途徑促進實驗性結腸炎^[8]

    潰瘍性結腸炎（UC）是一種與克羅恩?。–D）不同的炎癥性腸?。↖BD），其主要特征是結腸和直腸的彌漫性、淺表性炎癥。值得注意的是，UC隨著時間的推移會增加疾病進展的風險，例如增加住院、腫瘤發展和其他腸外并發癥的風險。UC可能由多種因素引起，包括腸道菌群失調、遺傳背景、黏膜免疫失調和環境，但UC的確切病因至今仍不清楚。

來源: Wei,Shuchun, et al. Gut Microbes.^[8]

    武漢大學人民醫院董衛國教授課題組通過miRNA測序鑒定了感染Fn的腸上皮細胞衍生的外泌體Fn-Exo和非感染Fn的腸上皮細胞衍生的外泌體(Con-Exo)中差異表達的miRNA。然后，在體外和體內研究了Fn-Exo在UC發展中的生物學作用和機制。

來源: Wei,Shuchun, et al.  Gut Microbes.^[8]

    研究發現，外泌體可以將miR-129-2-3p從感染Fn的腸上皮細胞傳遞至未感染Fn的腸上皮細胞中，加劇上皮屏障功能障礙和結腸炎癥。機制上，Fn-Exo通過miR-129-2-3p/TIMELESS軸誘導DNA損傷，隨后激活ATM/ATR/p53信號通路，最終促進細胞衰老和結腸炎癥。

    總之，Exo-miR-129-2-3p/TIMELESS/ATM/ATR/p53通路促進了細胞衰老，加重了屏障損傷和結腸炎。此外，TIMELESS和血清中的Exo-miR-129-2-3p可能作為UC（尤其是感染Fn的UC）的新型潛在診斷生物標志物。

    該研究揭示了具核梭桿菌（Fusobacterium nucleatum,Fn）通過外泌體加重潰瘍性結腸炎（UC）的分子機制，為UC的診斷和靶向治療提供了新的理論基礎。

    上述結果于2023年8月7日，來自中國武漢大學人民醫院董衛國教授課題組及其團隊在Gut Microbes (IF: 12.2 )雜志上發表名為Exosomal-miR-129-2-3p derived from Fusobacterium nucleatum-infected intestinal epithelial cells promotes experimental colitis through regulating TIMELESS-mediated cellular senescence pathway的研究^[8]。

文獻2：糞便來源的細胞外囊泡參與了導致肝臟疾病的屏障功能障礙^[9]

    非酒精性脂肪性肝病 (NAFLD)是目前公認的主要慢性肝病，在全球范圍內的患病率為25%。NAFLD的特征是存在脂肪變性，從而導致脂肪毒性。肝臟脂毒性先于肝臟炎癥，并增加出現不可逆非酒精性脂肪性肝炎 (NASH)的易感性。NASH與纖維化生成相關，導致肝功能損害和疾病加重。在這方面，NASH可在21%~26%的病例中導致肝硬化，在2.6%和12.8%的病例中可能演變為肝細胞癌。

來源: Fizanne, Lionel, et al. J Extracell Vesicles^[9]

    來自法國安格斯大學的Lionel Fizanne及其團隊通過差速離心分離、純化了健康供體、NAFLD和NASH患者的糞便樣本來源的細胞外囊泡（fEVs）。并探究了EVs在體外（腸細胞、內皮細胞、枯否細胞和星狀細胞）中的作用以及體內非肌肉肌輕鏈激酶（nmMLCK）缺陷小鼠模型中發揮的功能。最后再通過16s rDNA基因測序分析fEVs的細菌起源。

    研究結果表明，fEVs和小的cEVs都由原核和真核起源組成。然而，只有NASH-fEVs具有有害影響。NASH-fEVs能夠增加腸道通透性，減少緊密連接蛋白的表達，這種影響可以通過抑制nmMLCK來預防。此外，NASH-fEVs還會增加內皮細胞的通透性，并引發炎癥細胞因子和趨化因子的釋放，這一過程需要TLR4/脂多糖途徑的參與。

    同時，NASH-fEVs和NASH-cEVs還會激活肝星形細胞的纖維化和炎癥蛋白。使用NASH-fEVs治療能夠增加野生型小鼠的腸道通透性，但不能增加nmMLCK缺陷小鼠的腸道通透性。此外，fEVs的細菌起源在NAFLD和NASH患者之間是不同的，而且16s擴增子序列變異在不同的人群中豐度也不同。這項研究表明，fEVs在導致肝臟損傷的屏障功能障礙中發揮著積極作用，并強調了nmMLCK和fEVs攜帶的脂多糖的作用。

來源: Fizanne, Lionel, et al. J Extracell Vesicles^[9]

    相關研究結果于2023年1月28日，由來自法國安格斯大學的Lionel Fizanne及其團隊在J Extracell Vesicles (IF: 17.337)雜志上發表名為Faeces-derived extracellular vesicles participate in the onset of barrier dysfunction leading to liver diseases的研究^[9]。

文獻3：兒童腸道菌群通過釋放胞外囊泡到骨組織中來保持骨量和強度^[10]

    骨質疏松癥（osteoporosis）是由于多種原因導致的骨密度和骨質量下降，骨微結構破壞，造成骨脆性增加，從而容易發生骨折的全身性骨病。目前，我國骨質疏松癥患者已超過8000萬，居全球之首，其中大多數為絕經后女性。由于它早期沒有明顯癥狀，很容易被人們忽視，存在很大的危害。因此，需要更多理想的干預措施來改善骨骼健康和預防骨質疏松癥。

來源: Liu J H, et al. Advanced Science^[10]

    在這里，來自中南大學湘雅醫院的謝輝研究團隊通過將來自健康兒童的GM（CGM）和來自老年人的GM（EGM）定植到卵巢切除術（OVX）誘導的骨質疏松小鼠中，評估了GM對骨量和骨強度的影響。

    同時，通過使用16S rRNA基因測序分析CGM和EGM樣本，確定了它們微生物組成的差異。此外，作者還通過直接補充嗜黏蛋白阿克曼菌（Akk）來研究其對OVX誘導的骨代謝不平衡和骨質疏松的影響。作者還研究了細胞外囊泡（EVs）在CGM和Akk誘導的骨保護效應中的作用，包括EVs的分泌、進入骨組織和對骨細胞的影響。

    結果發現：來自兒童腸道菌群（CGM）的移植阻止了常規飼養的卵巢切除（OVX）誘導的骨質疏松小鼠骨量和骨強度的下降。16S rRNA基因測序表明，兒童腸道菌群逆轉了卵巢切除誘導的嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila，Akk菌）的減少。直接補充Akk足以糾正卵巢切除引起的骨代謝失衡，并防止骨質疏松。

    兒童腸道菌群和Akk分泌的細胞外囊泡（EVs）在發揮的骨保護作用中起到關鍵作用，這些囊泡可以進入和積累到骨組織中，通過增強成骨活性和抑制破骨細胞的形成來減弱卵巢切除誘導的骨質疏松表型。該研究為腸道菌群與宿主骨之間的信號交換提供了一種新的潛在機制。

來源: Liu J H, et al. Advanced Science^[10]

2021年2月17日， 來自中國湖南中南大學湘雅醫院謝輝實驗室在國際期刊Advanced Science(IF: 15.1)雜志上發表名為Extracellular vesicles from child gut microbiota enter into bone to preserve bone mass and strength的研究論文^[10]。
 

小結

    腸道菌群外泌體研究具有廣闊的前景。腸道菌群是人體內重要的微生態系統，其與健康密切相關。近年來，發現腸道菌群通過釋放外泌體來進行細胞間通信，這為新的研究方向提供了機會。這些外泌體可能在腸道微生物與宿主之間的相互作用、免疫調節等方面起重要作用。

    因此，深入探究腸道菌群外泌體的組成、功能和機制，有望揭示腸道微生物與宿主健康之間的深層聯系，為腸道疾病、免疫調節以及個性化醫療提供新的認識和方法。此外，腸道菌群外泌體也可能成為診斷疾病、開發新藥物和生物治療的潛在來源。

    綜上所述，腸道菌群外泌體研究前景光明，將在生命科學、醫學和微生物生態學領域帶來重要突破。

參考文獻：

[1] Kalluri R, LeBleu V S. The biology, function, and biomedical applications of exosomes[J]. Science, 2020, 367(6478).

[2] Liu D, Sun H, Sheng G, et al. Recent advances in the source and biological function of bacterial DNA in extracellular vesicles[J]. Chinese Journal of Antituberculosis, 2023, 45(7): 693.

[3] van Niel G, Carter D R F, Clayton A, et al. Challenges and directions in studying cell–cell communication by extracellular vesicles[J]. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2022, 23(5): 369-382.

[4] Celik P A, Derkus B, Erdogan K, et al. Bacterial membrane vesicle functions, laboratory methods, and applications[J]. Biotechnology Advances, 2022, 54: 107869.

[5] Toyofuku, Masanori, Nobuhiko Nomura, and Leo Eberl. "Types and origins of bacterial membrane vesicles." Nature Reviews Microbiology 17.1 (2019): 13-24.

[6] Chen S Z, Chen Y. The role of intestinal bacteria derived extracellular vesicles in inflammatory bowel disease[J]. Zhonghua nei ke za zhi, 2021, 60(10): 932-936.

[7] Díaz‐Garrido, Natalia, Josefa Badia, and Laura Baldomà. "Microbiota‐derived extracellular vesicles in interkingdom communication in the gut." Journal of Extracellular Vesicles 10.13 (2021): e12161.

[8] Wei,Shuchun, et al. "Exosomal-miR-129-2-3p derived from Fusobacterium nucleatum-infected intestinal epithelial cells promotes experimental colitis through regulating TIMELESS-mediated cellular senescence pathway." Gut Microbes 15.1 (2023): 2240035.

[9] Fizanne, Lionel, et al. "Faeces‐derived extracellular vesicles participate in the onset of barrier dysfunction leading to liver diseases." Journal of Extracellular Vesicles 12.2 (2023): 12303.

[10] Liu J H, Chen C Y, Liu Z Z, et al. Extracellular vesicles from child gut microbiota enter into bone to preserve bone mass and strength[J]. Advanced Science, 2021, 8(9): 2004831.