心脏干细胞外泌体miRNAs作为评估放射性心脏病风险的新型标志物的可行性基础研究

Radiation-induced heart disease (RIHD) has been reported, however, the mechanisms remain unclear and reliable methods for evaluating such risks are lacked. Cardiac stem cells (CSCs) play an important role in tissue homeostasis and regeneration/repair after injury. We recently have confirmed that radiation exposure could induce injuries in CSCs and change their secretion of exosomes. Exosomal miRNAs regulate multiple intracellular signaling pathways, therefore the CSCs-derived exosomal miRNAs might be a reliable biomarker for evaluating RIHD risks. In this study, we will investigate: 1) the changes in quantity and quality (miRNAs expression) of CSCs exosomes secretion and their effects on the survival and function of cardiomyocytes and endothelial cells after different doses of radiation exposures; 2) the underlying molecular mechanisms to provide theoretical evidence for RIHD risks evaluation using CSCs-derived exosomal miRNAs; 3) the feasibility of CSCs-derived exosomal miRNAs as a reliable biomarker in evaluating RIHD risks via breast cancer patients serum samples that are collected before and after radiotherapy. Data from our study will give novel insight into the mechanisms and diagnostic strategies for RIHD.

研究表明放射可诱发心脏病，但其发病机制尚不明确，且缺乏可靠的风险评估方法。心脏干细胞维持心脏的动态平衡，并在损伤时的再生/修复过程中起到至关重要的作用。申请人前期研究发现，辐射照射显著损害心脏干细胞，并改变其外泌体的分泌。外泌体内含miRNAs可调节多个细胞内信号通路，因此心脏干细胞外泌体miRNAs可能作为评估放射性心脏病风险的可靠标志物。本研究拟观察不同辐射剂量照射后心脏干细胞外泌体分泌的量和质（miRNAs成分）的变化，进一步分析其对心肌和内皮细胞的存活和功能的影响以及相关分子机制，为心脏干细胞外泌体miRNAs评估放射性心脏病风险提供理论依据。通过收集乳腺癌患者放疗前后的血清样本，检查其外泌体miRNAs的变化，对其作为放射性心脏病风险评估的标志物进行可行性分析。研究结果可为放射性心脏病的机制和诊断提供新思路。

临床试验研究表明接受高剂量胸部放射治疗的癌症幸存者可发生放射性心脏病 （Radiation-induced heart disease, RIHD）。虽然随着放疗技术日益发展，显著降低了心脏辐射剂量，并且减少了RIHD的发生，但RIHD所带来的生命威胁仍不可忽视。此外，接受低剂量全身辐射照射的日本广岛、长崎原子弹爆炸幸存者（>0.5Gy）和俄罗斯马亚克核电厂职业辐射暴露者（>0.2Gy）的心脏病风险显著增加。当今，辐射技术和放射源在工业、农业和医学（放射诊断、放射治疗和核医学）等领域广泛应用。然而迄今为止，RIHD的发病机制尚不明确，且缺乏可靠的风险评估方法。心脏干细胞维持心脏的动态平衡，并在损伤时的再生/修复过程中起到至关重要的作用。间充质干细胞（MSCs）也存在于心脏，对辐射高度敏感。辐射照射显著损害心脏干细胞，并改变其细胞外囊泡（EVs）的分泌。EVs内含miRNAs可调节多个细胞内信号通路。因此，我们假设间充质干细胞EVs分泌的改变是辐射诱发心脏病的触发因素。本研究用5Gy γ 射线照射人胎盘组织来源的间充质干细胞，48h后从培养基中分离出EVs，并观察辐照后间充质干细胞EVs数量和质量的变化。此外，还研究了辐照后的间充质干细胞产生的EVs对HUVEC和H9c2细胞的生物学效应。结果发现：尽管未辐照和辐照的间充质干细胞中EVs的数量和大小分布没有差异，但miRNA序列表明辐照的间充质干细胞EVs中有许多上调或下调的miRNA。利用HUVEC和H9c2细胞进行的体外实验表明，辐照后的MSCs-EVs降低了细胞增殖，但增加了细胞凋亡和DNA损伤。此外，辐照后的间充质干细胞EVs损害HUVEC管的形成，并诱导H9c2细胞钙超载。本研究结果表明经辐照的间充质干细胞释放的EVs显示出miRNA谱的改变和对心脏细胞的有害影响，这为辐射相关心脏病风险的机制提供了新的见解。