干細(xì)胞外泌體療法治療骨科疾病和創(chuàng)傷疾病

干細(xì)胞外泌體療法治療斷裂

骨折是最常見的大器官外傷，大約10%無法正常愈合。骨折愈合涉及合成代謝組織膨脹階段和分解代謝組織重塑階段，該階段受干細(xì)胞、先天性和適應(yīng)性免疫功能以及穩(wěn)定性等多種因素控制。骨折的生物藥物治療可以局部給予（例如骨形態(tài)發(fā)生蛋白，BMP）或全身給予（例如甲狀旁腺激素，PTH）。作為一種有前途的替代方案，用于骨折愈合的外泌體療法主要利用骨髓來源的MSC作為細(xì)胞供應(yīng)者（表1）。

間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體如何促進(jìn)骨折愈合的推測機(jī)制如下。

• 首先，骨修復(fù)的進(jìn)展需要多種細(xì)胞，例如炎癥階段的炎癥細(xì)胞、纖維血管階段的內(nèi)皮和間充質(zhì)祖細(xì)胞、骨??形成期間的成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞、以及骨痂重塑期間的破骨細(xì)胞。
• 其次，大多數(shù)這些細(xì)胞可以攝取外泌體，特別是成骨細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞，它們與骨折愈合最相關(guān)。
• 最后，外泌體吸收后，受體細(xì)胞的基因表達(dá)被改變，從而激活各種信號(hào)通路（圖1a），引起各種細(xì)胞和組織反應(yīng)（圖1b）并最終改善骨折愈合。

干細(xì)胞外泌體療法治療骨關(guān)節(jié)炎

骨關(guān)節(jié)炎 (OA) 是成人最常見的關(guān)節(jié)疾病，也是成人活動(dòng)受限的最常見原因，影響全球約2.4億患者。OA的病理學(xué)已經(jīng)從被視為僅限軟骨發(fā)展為影響整個(gè)關(guān)節(jié)所有組成部分的多組織疾病，包括骨、滑膜、肌肉、韌帶和關(guān)節(jié)周圍脂肪。臨床試驗(yàn)已成功揭示了可阻止結(jié)構(gòu)進(jìn)展（例如組織蛋白酶K和Wnt抑制劑）或減輕 OA疼痛（例如神經(jīng)生長因子抑制劑）的全身化合物。作為骨關(guān)節(jié)炎的潛在治療選擇，大多數(shù)MSC衍生的外泌體療法在體外模型中都使用軟骨細(xì)胞作為靶標(biāo)。這些MSC可能源自多種組織，如骨髓、滑膜、牙齦和髕下脂肪墊 (IPFP)。

一些關(guān)注軟骨形成的研究表明對(duì)miRNA的作用特別感興趣。吳等人發(fā)現(xiàn)IPFPMSC衍生的外泌體通過 miR100-5p調(diào)節(jié)的mTOR自噬途徑抑制，保護(hù)骨關(guān)節(jié)炎小鼠的關(guān)節(jié)軟骨免受損傷并改善步態(tài)異常。由于在診所內(nèi)通過關(guān)節(jié)鏡手術(shù)很容易從骨關(guān)節(jié)炎患者體內(nèi)回收人類IPFP，因此這種類型的外泌體療法可能會(huì)簡化并加速從實(shí)驗(yàn)室到臨床的過程。

其他研究不僅關(guān)注軟骨形成，還關(guān)注骨關(guān)節(jié)炎治療期間的抗炎和免疫調(diào)節(jié)。例如，MSC來源的外泌體在體外抑制炎癥因子、谷氨酰胺代謝活性相關(guān)蛋白、谷氨酰胺和GSH/GSSG比值，同時(shí)在體內(nèi)改善小鼠的軟骨細(xì)胞功能、組織炎癥和運(yùn)動(dòng)能力，從而緩解骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展。

目前，還沒有一種“一刀切”的藥物可以適合所有骨關(guān)節(jié)炎患者。緩解OA疾病的藥物 (DMOAD) 可能成為下一代骨關(guān)節(jié)炎治療方法。間充質(zhì)干細(xì)胞衍生的外泌體治療OA與DMOAD一致是非常有價(jià)值和相關(guān)的：兩者都能夠靶向炎癥細(xì)胞因子、基質(zhì)降解酶和Wnt通路。因此，DMOAD開發(fā)的新興方法，例如基于miRNA的模式和靶向細(xì)胞衰老，也可能用于完善間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體治療骨關(guān)節(jié)炎。

干細(xì)胞外泌體療法治療脊髓損傷

創(chuàng)傷性脊髓損傷（SCI）是一個(gè)毀滅性的全球健康問題，給患者和社會(huì)帶來重大的功能和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。SCI的病理生理學(xué)包括機(jī)械創(chuàng)傷引起的原發(fā)性損傷和以細(xì)胞凋亡、水腫、缺血、炎癥細(xì)胞浸潤和興奮性毒性為特征的繼發(fā)性級(jí)聯(lián)損傷。盡管進(jìn)行了手術(shù)干預(yù)，但涉及藥物治療的臨床研究可大致分為神經(jīng)保護(hù)性治療或神經(jīng)再生性治療。針對(duì)上述機(jī)制鏈的每個(gè)事件，間充質(zhì)干細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞衍生的外泌體療法都可以對(duì)脊髓保護(hù)和再生產(chǎn)生有益的影響。

一些研究小組以神經(jīng)元細(xì)胞死亡為目標(biāo)。馬等人研究表明，胰島素樣生長因子 1 (IGF-1) 刺激的 NSC 衍生的外泌體可以抑制神經(jīng)元凋亡，同時(shí)通過miR-219a-2-3p/YY1途徑促進(jìn)SCI后的功能恢復(fù)。或者，Zhang等人。發(fā)現(xiàn)蛛網(wǎng)膜下腔注射NSC來源的外泌體可以通過miR-374-5p/STK-4軸激活自噬來抑制神經(jīng)元細(xì)胞凋亡，從而增強(qiáng)SCI的功能恢復(fù)。

干細(xì)胞外泌體療法治療肌肉和肌腱撕裂

肌肉和肌腱撕裂可能由急性創(chuàng)傷（例如骨折）或慢性過度使用（例如運(yùn)動(dòng)損傷）引起。肌肉拉傷和肌腱撕裂的愈合遵循典型的傷口愈合過程，包括炎癥、增殖和重塑階段。已經(jīng)嘗試了多種非手術(shù)策略來改善愈合，包括基于細(xì)胞和生長因子的療法。以下概念驗(yàn)證研究表明MSC衍生的外泌體可能成為下一代肌肉骨骼治療方法。

在大量肩袖撕裂的大鼠模型中，外泌體療法可以預(yù)防肌肉萎縮、炎癥和血管化。在慢性肩袖撕裂的兔模型中，外泌體療法可以防止脂肪浸潤并改善生物力學(xué)特性。另一組報(bào)告稱，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞衍生的外泌體可以增加重建后肩袖的斷裂載荷和剛度，誘導(dǎo)肩袖端點(diǎn)周圍的血管生成，并促進(jìn)肌腱-骨界面的生長。

干細(xì)胞外泌體療法治療其他骨科疾病

骨質(zhì)疏松癥是一種代謝性骨病，其特點(diǎn)是骨密度低和骨結(jié)構(gòu)弱化，從而增加了骨折的風(fēng)險(xiǎn)。在一項(xiàng)細(xì)胞研究中，脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞衍生的外泌體可拮抗缺氧/血清剝奪誘導(dǎo)的骨細(xì)胞凋亡和骨細(xì)胞介導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成。進(jìn)一步的動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)，臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞衍生的外泌體可通過miR-1263/Mob1/Hippo通路抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞凋亡并預(yù)防廢用性骨質(zhì)疏松癥，通過miR-2110和miR-328-3p改善脛骨密度并逆轉(zhuǎn)雌激素缺乏性骨質(zhì)疏松癥。

與SCI相比，周圍神經(jīng)損傷（如坐骨神經(jīng)損傷）更為常見。研究表明，脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞衍生的外泌體可以靶向神經(jīng)元，在體外促進(jìn)神經(jīng)元的神經(jīng)突生長，在體內(nèi)促進(jìn)軸突再生和步行行為。經(jīng)LPS預(yù)處理的間充質(zhì)干細(xì)胞衍生外泌體可通過促進(jìn)體外M2巨噬細(xì)胞極化來靶向炎癥細(xì)胞，并加速體內(nèi)周圍神經(jīng)再生。

椎間盤（IVD）退化是導(dǎo)致下背痛的主要原因，也是全球殘疾總生存年數(shù)的主要傷害。其分子過程包括細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）變性、炎癥、氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡、衰老和自噬能力下降。新出現(xiàn)的外泌體療法試圖解決這些問題。

• Cheng等人證實(shí)，椎間盤內(nèi)注射骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞衍生的外泌體可抑制髓核細(xì)胞（NPC）凋亡，并通過外泌體miR-21緩解IVD退化。除了細(xì)胞死亡和線粒體損傷外，間充質(zhì)干細(xì)胞衍生的外泌體還能抑制NPCs中的氧化應(yīng)激。由于IVD變性和OA具有共同的分子疾病譜，利用間充質(zhì)干細(xì)胞衍生的外泌體治療OA的積極結(jié)果可作為IVD變性研究的參考。

股骨頭壞死（ONFH）又名股骨頭缺血性壞死，是一種影響年輕人的致殘性疾病，通常會(huì)導(dǎo)致全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。糖皮質(zhì)激素（GC）誘導(dǎo)的骨壞死是股骨頭壞死（ONFH）最常見的病因之一，其發(fā)病機(jī)制表現(xiàn)在兩個(gè)方面：股骨頭供血受損和成骨活性減弱。

• Liu等人研究發(fā)現(xiàn)，iPSC衍生的間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體可通過PI3K/Akt 通路促進(jìn)血管生成和骨生成，從而預(yù)防GC誘導(dǎo)的ONFH。

參考資料：Tan, F., Li, X., Wang, Z. et al. Clinical applications of stem cell-derived exosomes. Sig Transduct Target Ther 9, 17 (2024). https://doi.org/10.1038/s41392-023-01704-0

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