外泌体（Exosomes）或细胞分泌的小型细胞外囊泡，在协调心血管疾病后的代谢过程中扮演着重要角色。本文综述了外泌体在心脏修复和再生中的复杂作用，重点分析了包括代谢和免疫反应变化在内的特定代谢调控机制。此外，我们还探索了一些创新的工程策略，以提升外泌体在该领域的治疗潜力。本文旨在提供一个整合框架来理解外泌体与代谢在心脏修复中的作用，并为心血管疾病的新型疗法设计指明未来方向。
心脏功能与代谢状态密切相关，因此针对代谢途径的干预成为缓解缺血性损伤并恢复心肌功能的一种有前景的治疗策略。代谢干预的主要目标是限制有害代谢副产物的积累，增强线粒体能量代谢，减少氧化应激，并优化底物利用。在外泌体介导的代谢调控中，外泌体在调控心肌细胞存活、增殖和迁移方面发挥了关键作用，影响了对损伤的适应性反应。代谢失调会显著延迟心脏功能的恢复，而适当的代谢重编程则有助于增强组织再生。富含miR-294的胚胎干细胞衍生外泌体已被证明可以通过调节细胞周期和内皮代谢来改善内皮细胞的增殖和存活。此外，外泌体为细胞活动提供了指令，通过传递调节性微小RNA（如miR-21和miR-146a），指导细胞凋亡（通过AKT、PDCD4、FasL）和炎症（通过NF-κB、IRAK1、TRAF6）。过去几十年的研究集中在利用外泌体介导的代谢调控来减轻纤维化和增强心脏功能上，动态调控关键代谢节点的外泌体货物代表了一种有希望的靶向干预手段。
尽管心脏是身体中能量需求最高的器官，但它自身储存的能量却相对有限。为了维持ATP生产并保持心脏代谢网络的动态平衡，必须有足够的适当代谢底物供应。不同刺激下的响应和适应性特征体现了心脏代谢的灵活性。随着发育进展和营养可用性的变化，心脏主动重塑其代谢途径，以满足不断变化的能量需求。这种重塑改变了心肌细胞的代谢并最终影响其增殖能力。现有证据表明，高增殖性的新生儿心脏主要依赖葡萄糖和乳酸进行快速ATP生产。随着心脏成熟，代谢逐渐转向主要利用脂肪酸（FA），占ATP生产的约60%，而葡萄糖氧化贡献约30%，其余来自酮体和氨基酸。在这个阶段，氧化磷酸化成为主要的能量生产模式，取代了胎儿阶段的糖酵解。更高效的脂肪酸氧化（FAO）使完全发育的心脏同时保持代谢灵活性。这种代谢转变反映了心脏对日益增长的能量需求和生理条件变化的适应。值得注意的是，心脏在不同发育阶段的不同再生能力与其潜在代谢编程的变化密切相关。
在病理性条件下，心脏代谢经历了实质性的重塑，情况发生逆转。在慢性病理生理状态下，心脏通过重新编程代谢途径来应对心肌能量学和收缩性能的变化。面对缺氧和新生血管化的负担增加，身体激活补偿机制，尤其是涉及外泌体分泌的机制。研究表明，外泌体中HIF-1α的过表达促进了缺血心肌中的心肌保护，表现为增强的细胞存活和血管生成。作为细胞适应低氧环境的核心调控因子，HIF-1α在缺氧条件下稳定存在，并诱导血管内皮生长因子（VEGF）和血小板衍生生长因子（PDGF）上调，促进新生血管生成。这种适应性反应促使细胞在缺血期间采用更节省氧气的策略，将能量生产从FAO转向无氧糖酵解，有利于在缺血和肥厚压力下保持心脏性能。这一转变由多种途径共同调控，包括携带miR-21和miR-210的间充质干细胞（MSC）衍生外泌体上调葡萄糖转运蛋白1（GLUT1）和丙酮酸脱氢酶激酶1（PDK1）的表达，增加糖酵解流量并抑制丙酮酸脱氢酶活性。同时，由miR-210、miR-21和miR-126调控的HIF-1α-VEGF信号通路进一步促进了缺血条件下的血管生成。总的来说，它们支持代谢转换和低氧心肌细胞的存活。
外泌体通过调控脂肪酸氧化、糖酵解、酮体代谢和哺乳动物雷帕霉素靶点（mTOR）信号通路等关键代谢途径，参与心脏再生。外泌体货物已被证明可靶向CPT1、ACSL1、LPL、PPARα/γ/δ（脂肪酸氧化）、GLUT1/GLUT4、AMPK、PFK2、PFK1、MPC1（葡萄糖代谢）、BDH1、SCOT（酮体代谢）等关键调控因子，将代谢重编程与心脏修复连接起来。例如，血小板衍生的外泌体下调ACSL1表达以减少酰基辅酶A的产生，损害脂肪酸氧化并优先进行葡萄糖和丙酮酸氧化，这与下游mTORC1活化有关，并导致心脏肥大。另一个显著的调控涉及携带miR-100的MSC衍生外泌体，其抑制氧化磷酸化关键基因CD36的表达。CD36的下调增加糖酵解酶和乳酸分泌，强化从脂肪酸氧化到糖酵解的代谢转变。结合CD36下调的心肌梗死区域验证，miR-100的外泌体介导的心脏保护功能在再生模型中得到了证实。同样，在病理性条件下富集的miR-21-5p被发现可通过沉默PTEN激活PI3K/Akt途径，促进心肌细胞存活和活力。
除了代谢底物转换，外泌体还通过调控线粒体功能直接介导能量供应。线粒体损伤最近已成为心脏功能障碍的病理生理标志，缺乏有效药物。线粒体稳态的扰动会导致氧化还原失衡，尤其是在缺血或再灌注损伤后。外泌体中的多种货物可以促进线粒体生物发生，增加其数量并提高其在心肌细胞中的功能。除了线粒体DNA（mtDNA），几种miRNA也可以调节线粒体功能。外泌体miRNA如miR-9、miR-29b、miR-320、miR-455、miR-495、miR-599和miR-122都影响并调控线粒体功能。具体而言，miR-9靶向线粒体分裂和融合中的Drp1，而miR-29b通过增强PGC-1α蛋白抑制促纤维化信号并支持线粒体完整性。miR-320和miR-455通过控制SOD表达来影响氧化和氧化还原平衡，从而保护线粒体免受ROS侵害。增强的线粒体能力满足了心肌细胞修复、存活和生长所需的更高能量需求。特别地，含有失调线粒体及其酶的外泌体可能参与细胞间通讯并对其他线粒体产生影响。
由于脂肪酸氧化与葡萄糖代谢之间的转换，直接受影响的一个重要方面是脂质稳态。脂质稳态是指系统内脂质合成、降解和运输的平衡。与能量生产和氧化还原信号相互作用，心脏中的脂质稳态虽然不稳定但对维持正常或增强的细胞功能以及保持代谢健康至关重要。在肥胖条件下，脂肪组织装载更多脂质和促炎miRNA到外泌体中，抑制脂肪酸氧化，增加细胞毒性和促进纤维化。这表明脂肪细胞衍生的外泌体不仅影响内部货物，还影响接收心肌细胞的膜完整性。值得注意的是，受损细胞过多的脂质可能导致脂毒性，对细胞有害。游离脂肪酸形成甘油二酯（DAGs），激活蛋白激酶C（PKC）通路，显著影响细胞功能和存活性。随之而来的能量供应不足形成了负反馈循环，加剧了毒性效应。尽管调控了脂肪酸氧化，外泌体还传递调节脂质合成和储存的因子，可能通过改变脂质生成酶的活性表达实现。过量的脂肪组织产生过多的脂肪酸、甘油和促炎及促纤维化细胞因子，扰乱代谢平衡并影响心脏。更有甚者，心包脂肪组织（PVAT）产生富含miR-382-5p的外泌体，通过BMP4-PPARγ-ABCA1/ABCG1途径减少巨噬细胞泡沫细胞的形成，调节血管稳态。相反，外泌体通过去除受损心脏组织中的多余胆固醇并将其运输至肝脏，促进心脏再生。心肌细胞中健康的脂质谱对于损伤后心脏功能的恢复和维持至关重要。一些特殊脂质充当信号分子，影响炎症，直接干扰心脏组织的修复过程。外泌体携带的抗炎脂质介质可调节组织炎症，从而促进心脏愈合。最终，脂质稳态的破坏增加了发展为心血管代谢性疾病的风险。
然而，饮食可能通过影响血液中外泌体的组成和趋向性来保护心脏。长期摄入十字花科蔬菜中的活性化合物萝卜硫素已被证明可增强抑制不良重塑的成纤维细胞衍生外泌体的释放。出乎意料的是，一些研究表明，ω-3多不饱和脂肪酸在老年心肌梗死患者中并未通过小型囊泡降低血栓风险。然而，坚持地中海饮食可减少促血栓性EVs的水平，可能有助于改善血管稳态。这些研究结果突显了营养在调节外泌体介导信号中的作用，架起了饮食习惯与心肌复原力之间的桥梁。
氧化还原平衡指的是心脏抢救过程中氧化剂与抗氧化剂之间的平衡。平衡的氧化还原状态为细胞存活提供了有利条件，特别是在压力条件下。比较增殖性的人类诱导多能干细胞衍生的心肌细胞（hPSC-CMs）与正常成年人成熟的CMs，它们在细胞结构、线粒体功能和代谢方面表现出显著差异。在病理性心脏环境中，血栓清除后留下过多的活性氧（ROS），包括过氧化氢（H2O2）、超氧阴离子（O2−）和羟基自由基，这加剧了缺血再灌注（I/R）损伤。打破氧化还原平衡加重氧化应激（OS），促进细胞凋亡并破坏内皮功能。线粒体既是主要的ROS来源也是目标，线粒体功能障碍可在分子水平上损害代谢系统。受压细胞分泌的外泌体携带调控分子，调制信号转导，增强细胞防御并提高对氧化应激的耐受性。心脏祖细胞（CPC）衍生的外泌体已被证明可改善心肌梗死后的心脏功能并减少氧化应激。活化的CD4+ T细胞衍生的外泌体上调内皮细胞中的促氧化（NOX2、NOX4）和抗氧化（SOD1、SOD2）基因表达，突显了外泌体在平衡内源性氧化还原中的作用。鉴于外源性抗氧化剂对氧化应激无效，外泌体递送策略提供了有前景的替代方案。特定的miRNAs如miR-21、miR-100、miR-29a和miR-210显著减少ROS并稳定局部稳态。此外，越来越多的证据强调了Ca2+作为心脏氧化还原平衡的关键调节因子的作用，参与三羧酸循环（TCA）活化和ROS解毒。然而，过量的Ca2+可引发线粒体渗透性转换并复杂化治疗应用。外泌体疗法可能提供一种递送Ca2+转运体调控分子的方式，如靶向线粒体钙单向转运体（MCU）的miR-25。总之，外泌体调控抗氧化剂递送，维持氧化还原稳态，并促进心肌细胞存活和心脏修复。
为了维持心脏损伤后的功能，机体参与复杂的急性和慢性适应，特别是免疫和炎症反应。在病变的心脏微环境中，炎症在清除死细胞和启动修复过程中至关重要，尽管免疫细胞的能力受到缺血和营养剥夺的限制。抗炎、抗纤维化和促血管生成是心脏修复中相互依赖的过程。在各种免疫细胞中，心脏巨噬细胞（cMPs）发挥着关键作用，其代谢与炎症结果紧密相连。心脏巨噬细胞日益被视为心肌稳态和代谢的调节器，其表型转换与心血管疾病类型和严重程度密切相关，包括冠状动脉疾病、心肌炎、心力衰竭和动脉粥样硬化。早期损伤后，巨噬细胞主要采取有害的M1表型。然而，MSC、心脏祖细胞（CPC）和Tregs分泌的外泌体可通过递送抗炎miRNAs将巨噬细胞重新编程为修复性的M2表型。例如，携带miR-125a-5p的外泌体通过靶向Klf13、Tgfbr1和Daam1调节巨噬细胞功能，使M0分化平衡偏向于抗炎的M2表型。同样，内皮细胞衍生的外泌体转移miR-10a以抑制NF-κB信号，而外泌体携带的miR-126和miR-294分别增强了干细胞归巢、内皮修复和心肌再生。此外，心脏引流淋巴结中的MHC-II+抗原呈递细胞摄取外泌体激活PP2A/p-Akt/Foxo3轴，建立了一个促进炎症消退和心脏修复的Treg诱导生态位。这些发现突显了免疫调节外泌体和miRNA在心脏再生中的强大潜力。
工程外泌体因其多样化修改策略而日益被视为强大的治疗递送载体，这些策略旨在增强靶向特异性、载荷容量和治疗效果。表面修饰，包括配体、抗体和肽的缀合，可以引导外泌体朝向心脏组织或缺血部位。最近的研究采用了点击化学，这是一种高效、简单且选择性强的化学反应集合，用于连接分子构建块。例如，Cu(I)催化的叠氮-炔环加成（CuAAC）可以功能化外泌体表面，提高膜稳定性和靶向精度。混合策略，将外泌体与水凝胶、脂质体或植物衍生的囊泡结合，进一步扩展了结构多样性和生物相容性。与此同时，基因和化学工程方法使核苷酸、蛋白质和治疗剂的有效加载成为可能。细菌外膜囊泡（ONVs）也显示出通过调节与心血管疾病相关的炎症途径的潜力，为治疗干预提供了新的机制见解。
有效的载荷加载仍然是治疗成功的关键决定因素。广泛使用的技术包括电穿孔、药物孵育、表面活性剂、低频超声和供体细胞的基因修饰。新兴的基因和化学工程方法在保留外泌体完整性的同时提供了改进的载荷封装。优化现有方法参数，如电穿孔和超声处理参数，同样至关重要。
限制外泌体治疗效果的一个主要挑战是非靶效应。靶向递送机制可以确保载荷专门递送到心脏组织，优化治疗效果同时尽量减少非靶副作用。生物工程改造，特别是具有归巢配体（如抗CD71抗体）的表面功能化，提高了靶向精度并在静脉注射后增加了梗死心肌中的累积。供体细胞（如CPCs）的基因工程通过表达特定归巢生物标志物促进靶向递送。除了全身注射，局部递送策略如心肌内（IM）和心包内（iPC）注射实现了高局部滞留和持续释放。合成生物材料和已确立的细胞疗法进一步提升了外泌体治疗。贴片状的水凝胶结构，通过iPC方法递送，将治疗剂固定在目标位置，保持低免疫原性、高载荷能力和靶向能力的优势。此外，创新策略提供了可控的外泌体释放。吸入式干细胞衍生外泌体雾化疗法（SCENT）提供了一种突破性的非侵入性递送途径，允许外泌体穿过肺泡-毛细血管屏障并通过肺循环到达缺血心脏组织，确立了外泌体作为内分泌样信号剂的角色。考虑到心脏微环境的动态性质，开发代谢响应性外泌体提供了有前景的进展。在缺血心肌中，酸中毒、低氧、升高的ROS和基质金属蛋白酶（MMP）激活等标志性特征提供了独特的代谢线索。将pH敏感键、ROS响应性转录元件或酶可降解涂层嵌入外泌体的工程策略，使其在遇到病理环境时能够定点释放载荷。这些智能外泌体可以根据病变心脏中的特定线索改变结构，实现靶向递送并最小化非靶风险。
个性化外泌体疗法利用自体或患者衍生的细胞根据个体代谢特征定制治疗策略。在水凝胶中嵌入iPSC衍生的CPCs或MSC衍生的外泌体，可以在利用内源性兼容性的同时促进强健的心脏再生。患者特异性外泌体最小化免疫排斥，允许精确的载荷定制，并与个体生理条件对齐治疗。将个性化外泌体与干细胞或基因疗法相结合的协同策略，在优化综合心脏修复结果方面具有重大潜力。
外泌体不仅富含miRNA，还包括其他类型的非编码RNA，例如环状RNA（circRNAs）和长链非编码RNA（lncRNAs），两者都在心血管疾病中作为关键调节因子发挥作用。环状RNA以其共价闭合环状结构为特征，在循环中高度稳定并表现出多样的调控功能。在扩张型心肌病（DCM）和慢性心力衰竭患者中，已在血浆外泌体中识别出不同的环状RNA特征，反映了疾病进展和心肌重塑。功能上，环状RNA可能充当miRNA海绵、转录调节因子，甚至作为肽翻译模板，通过非经典调控网络影响细胞表型。
同时，病理性心脏重塑也与外泌体lncRNAs相关联。具体来说，某些循环lncRNAs如ENST00000556899.1和ENST00000575985.1在MI患者中升高。LIPCAR是一种与梗死后左心室不良重塑相关的长链基因间非编码RNA，被提议作为预后生物标志物。尽管其在外泌体中的水平在心力衰竭和非心力衰竭患者之间没有显著差异，但在发展为左心室重塑的MI患者中确实表现出较高的表达。这些发现突显了外泌体非编码RNA作为心力衰竭和缺血后修复的机制贡献者和诊断指标的潜力。
稳健的分离和表征协议对于外泌体疗法的临床转化至关重要。分离程序通常包括样本收集、初步离心和超速离心。超速离心仍然是标准的分离方法，但往往纯度较低（10–25%）。鉴于严格的FDA规定，需要进一步提高效率、产量、浓度和纯度。创新的亲和力技术，如配体捕获系统和基于尺寸的方法如切向流过滤（TFF），提供了更高的特异性和可扩展性。自动化分离和纯化过程对于实现高通量、可重复的外泌体生产至关重要。表征方法如纳米颗粒跟踪分析（NTA）、Western blotting、RNA分析和质谱确认外泌体身份和质量。整合多组学策略，如蛋白质组学、基因组学和代谢组学，进一步推进功能表征。鉴于外泌体来源、接收细胞、疾病模型和纯化方法的异质性，建立标准化协议和严格的质量控制对于确保临床可重复性至关重要。
在心脏修复中，外泌体（EXOs）提供了一个灵活的框架来优化和转移代谢过程，影响心肌愈合的广泛生物代谢过程。由于其靶向接收细胞和高生物相容性的特性，外泌体被认为是选择性递送生物活性载荷如miRNAs、蛋白质和其他治疗剂的高度有前途的候选者。外泌体调节能量生产，维持氧化还原平衡，保持脂质稳态并控制免疫反应。在心脏再生和修复的代谢级联中，外泌体作为一种媒介并与不同方面相关联。在能量供应期间，它通过调节线粒体增强糖酵解并抑制脂肪酸氧化，有益于脂质稳态和氧化还原平衡。免疫细胞的抗炎极化也有助于更加平衡的氧化还原状态，并与其它代谢部分相关联。整个复杂的中介循环揭示了体内的动态代谢循环系统。包括低免疫原性和高生物相容性在内的多个独特优势，使外泌体成为再生医学中有前途的治疗工具。随着该领域研究的不断进展，基于外泌体的创新疗法有望在心脏修复中调节代谢，最终改善患者的预后并开启心血管疾病治疗的新时代。
未来展望
天然分泌和工程改造外泌体的治疗潜力激发了对心血管疾病代谢调控日益增长的兴趣，并为心脏再生提供了有希望的方向。短期内，努力应集中在改进外泌体分离的标准协议并开发对低氧或氧化应激等条件作出响应的刺激响应性外泌体。长期来看，可以使用患者特异性或干细胞衍生来源创建个性化外泌体疗法。关键是通过生物工程和生物材料集成改进靶向递送。这些方法共同可以帮助修复受损的心脏组织，改善能量平衡，并支持心力衰竭患者更好的恢复。鼓励跨学科围绕基于外泌体的疗法进行合作，对于将其引入临床使用至关重要。
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