外泌體治療骨關(guān)節(jié)炎作用機(jī)制的研究進(jìn)展

陸文忠1，楊現(xiàn)莉，韋喜

(1. 廣西百色市人民醫(yī)院，右江民族醫(yī)學(xué)院附屬西南醫(yī)院骨科，廣西 百色 533000； 2. 右江民族醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)院，廣西 百色 533000)

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是由諸多因素引起的關(guān)節(jié)軟骨退化、滑膜炎癥、骨重塑和軟骨下骨反應(yīng)性增生的一種退行性病變，以關(guān)節(jié)疼痛、僵硬、腫脹、活動受限和畸形為常見臨床表現(xiàn)[1]。隨著人口老齡化及肥胖發(fā)生率的增加，罹患OA的患者與日俱增[2]。然而目前臨床上對于OA的主要治療方法如理療、消炎鎮(zhèn)痛藥物、軟骨保護(hù)劑、透明質(zhì)酸鈉、重組人成纖維細(xì)胞生長因子等，這些保守的方法只能緩解癥狀、延緩病程進(jìn)展，但不能逆轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)性病變[3]；關(guān)節(jié)鏡治療有診斷和治療的作用，但主要適用于早期輕度OA患者；人工關(guān)節(jié)置換術(shù)是目前治療嚴(yán)重關(guān)節(jié)病變的主要手段，但其技術(shù)要求高，治療費(fèi)用較大，且其術(shù)后關(guān)節(jié)炎的控制并不理想，對于大多數(shù)患者并不是首選的治療方式[4]。因此，尋求新的治療方案仍是目前該領(lǐng)域的一大研究熱點。

近年來，隨著細(xì)胞工程技術(shù)的發(fā)展，外泌體(exosomes)作為新型細(xì)胞通訊方式，通過胞間交流和信息傳遞，在細(xì)胞分化、侵襲、免疫調(diào)節(jié)及組織損傷修復(fù)等多種病理生理過程中發(fā)揮重要的作用[5]。近年來研究發(fā)現(xiàn)外泌體也具有治療OA的作用[6]，但其作用機(jī)制尚不明確，因此深入探討外泌體治療OA的作用機(jī)制，對開發(fā)外泌體的臨床應(yīng)用具有重要意義。

1 外泌體的來源及生物學(xué)特性

外泌體是一種包含了復(fù)雜RNA和蛋白質(zhì)的小膜泡，是一種直徑30～150 nm的雙層膜囊泡狀結(jié)構(gòu)小體，可由機(jī)體內(nèi)幾乎所有類型的細(xì)胞主動分泌產(chǎn)生，廣泛分布于血液、尿液、惡性腫瘤、腹水等體液中。外泌體攜帶大量特異性的蛋白質(zhì)(如細(xì)胞因子、生長因子)和miRNA[7]。因此，外泌體為研究潛在的各種生物標(biāo)記物提供了很好的生物學(xué)材料。

外泌體是一種特異性分泌的膜泡，參與細(xì)胞間生物活性物質(zhì)傳輸及信息傳遞，參與調(diào)控重要的細(xì)胞生理活動，其作用方式主要有：①受體-配體結(jié)合改變靶細(xì)胞生物傳遞通路；②傳遞蛋白質(zhì)、miRNA 等物質(zhì)；③與靶細(xì)胞膜融合，使其具有與母細(xì)胞相同的受體表型； ④作為載體轉(zhuǎn)移重要生物學(xué)信息或細(xì)胞器。外泌體特殊的結(jié)構(gòu)及性能使其在免疫應(yīng)答、細(xì)胞凋亡、血管生成、炎癥反應(yīng)、組織損傷修復(fù)中發(fā)揮重要作用。

2 外泌體與OA的關(guān)系

OA是臨床多發(fā)骨關(guān)節(jié)疾病，以中老年人為主，嚴(yán)重影響著患者的生活質(zhì)量，是醫(yī)學(xué)界重點關(guān)注疾病之一。其具體病因尚不清楚，多與遺傳、炎癥、創(chuàng)傷、年齡及肥胖等有關(guān)，其發(fā)生機(jī)制與細(xì)胞因子、基因表達(dá)、免疫調(diào)節(jié)及金屬蛋白酶等緊密相關(guān)[8]。而外泌體主要是通過這些因素促進(jìn)或者抑制OA的發(fā)生與發(fā)展[9-10]。

Kato T等[9]研究發(fā)現(xiàn)具有OA病變的關(guān)節(jié)內(nèi)滑膜成纖維細(xì)胞分泌的外泌體可誘導(dǎo)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞基因表達(dá)，增加基質(zhì)金屬蛋白酶、IL-6和VEGF，促進(jìn)血管生成而參與OA的發(fā)病過程。而Wang Y[11]研究發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)腔外細(xì)胞來源的外泌體可以緩解OA的病理變化，可用于OA 的治療，其將間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體(MSCs-Exo)對OA小鼠進(jìn)行關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射，有效抑制小鼠軟骨病變和細(xì)胞外基質(zhì)降解，延緩OA進(jìn)展。外泌體的雙向作用主要原因可能是由于不同來源的外泌體內(nèi)含有不同的蛋白質(zhì)、mRNA、 miRNA等生物學(xué)活性的物質(zhì)[12]。外泌體對機(jī)體的影響有利有弊，對其優(yōu)點充分利用，將能更好促進(jìn)健康，造福人類。近年來，根據(jù)外泌體的生物學(xué)特性以及其在OA診療中的潛能，人們對其在疾病的作用方面做了大量研究工作，證明了外泌體可以減少OA的發(fā)病率，延緩疾病進(jìn)展，對其治療OA的作用機(jī)制的研究也取得了一定的進(jìn)展[13-14]。

3 外泌體治療OA的作用機(jī)制

關(guān)節(jié)軟骨破壞是OA的主要病理改變，其主要機(jī)制是關(guān)節(jié)內(nèi)環(huán)境紊亂，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，軟骨細(xì)胞外基質(zhì)減少，而關(guān)節(jié)內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)主要依靠影響細(xì)胞因子及基因表達(dá)、免疫調(diào)節(jié)等多方面平衡來維持。研究已證實間質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體可減輕了OA軟骨破壞和胞外基質(zhì)降解，促進(jìn)軟骨修復(fù)[6，11]。目前外泌體治療OA的相關(guān)機(jī)制目前尚不清楚，目前認(rèn)為其可通過上述因素調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)內(nèi)環(huán)境平衡，抑制軟骨細(xì)胞凋亡及細(xì)胞外基質(zhì)降解，從而緩解OA的病變。

3.1 調(diào)節(jié)細(xì)胞因子代謝 軟骨細(xì)胞因子參與骨代謝，代謝失衡時可促進(jìn)OA發(fā)生與發(fā)展。在正常情況下，關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)的分解代謝和合成代謝平衡是通過分解性細(xì)胞因子和合成性細(xì)胞因子的平衡來維持的。生長代謝因子如轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)、胰島素樣生長因子1(IGF1)等可刺激膠原、蛋白聚糖合成，并可產(chǎn)生特異性金屬蛋白酶組織抑制劑。分解性細(xì)胞因子如白細(xì)胞介素-1(IL-1)、 IL-6、 IL-18、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等可刺激生成基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)，誘導(dǎo)基質(zhì)降解，分解代謝因子主要與炎癥相關(guān)，后文將詳細(xì)重點闡述。

在OA患者滑膜中，合成性細(xì)胞因子表達(dá)均明顯下降，而分解性細(xì)胞因子表達(dá)明顯升高[15]。其中關(guān)系最為密切的TGF-β及IGF1是一種促進(jìn)組織修復(fù)的保護(hù)性因子，可刺激細(xì)胞增殖和Ⅱ型膠原的形成，對軟骨細(xì)胞生長及細(xì)胞外基質(zhì)合成具有重要的調(diào)節(jié)作用。上調(diào)這些合成因子的表達(dá)可有效地促進(jìn)骨關(guān)節(jié)修復(fù)。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞來源外泌體能激活相關(guān)信號通路，誘導(dǎo)IGF1、成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)等多種生長因子表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)產(chǎn)生[16]； Kim YJ等[17]研究發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體能通過調(diào)節(jié)生長因子及相關(guān)基因表達(dá)，促進(jìn)膠原蛋白合成，促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖分化；除此外可以誘導(dǎo)成熟關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞標(biāo)志物(Ⅱ型膠原和凝集素)的表達(dá)，同時減少分解代謝因子(MMP-13，ADAMTS5)和炎癥標(biāo)志物(iNOS)的表達(dá)，緩解OA的臨床癥狀及疾病進(jìn)展[18]。這些研究表明外泌體可調(diào)節(jié)細(xì)胞因子的代謝，這可能是外泌體治療OA的作用機(jī)制之一。

3.2 抗炎癥反應(yīng) 在OA的進(jìn)展過程中，慢性炎癥導(dǎo)致軟骨變性。軟骨組織的病理學(xué)變化能夠刺激炎性因子的分泌，而炎癥因子又能夠通過眾多信號通路加劇軟骨組織的破壞，形成惡性循環(huán)。這些細(xì)胞因子的作用并非單一作用，而是存在于一個復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)之中。

3.3 調(diào)節(jié)免疫 骨關(guān)節(jié)組織具有獨(dú)特的解剖結(jié)構(gòu)，一直以來被認(rèn)為其能夠逃避自身的免疫反應(yīng)。但近些年的研究[21]證實免疫學(xué)機(jī)制也參與了 OA 的病理生理過程，關(guān)節(jié)軟骨不僅能夠誘導(dǎo)潛在的自身免疫反應(yīng)，還可使自身免疫反應(yīng)放大化。研究[22]發(fā)現(xiàn)OA模型中T 淋巴細(xì)胞可以激活CD25、CD38、CD43、CD45、 CD69和組織相容性白細(xì)胞抗原(HLA)進(jìn)而產(chǎn)生免疫反應(yīng)，促進(jìn)軟骨細(xì)胞的破壞。因此，抑制T淋巴細(xì)胞的活性可作為OA治療的一個靶點。樹突狀細(xì)胞來源的外泌體能夠直接或間接地修改內(nèi)源性APCs和T細(xì)胞的功能，抑制或降低遲發(fā)型超敏反應(yīng)，減輕炎癥，抑制小鼠OA病情進(jìn)展[23]。間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體能夠抑制CD4+和CD8+T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞的體外激活，注射其來源的外泌體可以減輕OA的臨床表現(xiàn)[24-25]。除此之外，其他細(xì)胞來源的外泌體也有免疫調(diào)節(jié)和免疫耐受功能，尤其是外周血漿或血清中獲得的外泌體已被證實能夠調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，可運(yùn)用于OA的治療[26-27]。

3.5 影響 miRNA表達(dá)及載體作用 微小RNA(microRNA)是機(jī)體內(nèi)非編碼RNA，是基因表達(dá)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄后抑制因子。在細(xì)胞增殖分化及細(xì)胞凋亡中發(fā)揮重要作用。microRNA 與其靶基因轉(zhuǎn)錄的 mRNA 特異性結(jié)合，沉默表達(dá)的靶基因，或形成多個信號的相互作用網(wǎng)絡(luò)[32]。外泌體主要通過調(diào)節(jié)microRNA表達(dá)參與OA修復(fù)。來自成骨細(xì)胞的外泌體可表達(dá)miR-503-3p，抑制破骨細(xì)胞生成[33]。羊膜和臍帶、骨髓來源的外泌體可改變OA鼠關(guān)節(jié)液中的眾多miRNA表達(dá)水平，尤其是一些參與炎癥反應(yīng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵 miRNA 及其靶向沉默的多個炎癥因子(下調(diào)miR-221、miR-155、miR-181a，上調(diào)miR-199b、miR-218、miR-148a、miR-135b、miR-203、miR-219、miR-299-5p及miR-302b的表達(dá))，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和骨細(xì)胞外基質(zhì)合成與分泌，對OA具有顯著的治療效果[34-36]?；蛑委?OA 具有非常良好的應(yīng)用前景[37]?；りP(guān)節(jié)相對孤立封閉的解剖結(jié)構(gòu)為小分子療法提供相對獨(dú)特的環(huán)境，可以限制所輸送分子的全身擴(kuò)散。miRNA通常在關(guān)節(jié)間隙內(nèi)就會被降解，但是外泌體的遞送可以通過保護(hù)這些小的miRNA不被破壞，從而改善miRNA的短期穩(wěn)定性。通過向OA大鼠軟骨細(xì)胞中轉(zhuǎn)染miR-25 的模擬物發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)miR-25 可抑制軟骨細(xì)胞的凋亡[38]。Tao SC等[31]體外試驗發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)染miR-140-5p的外泌體可促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖和遷移，而在體內(nèi)，體內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)其可通過增強(qiáng)SOX9和蛋白聚糖的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的合成，維持軟骨內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，可緩解大鼠OA病情進(jìn)展及改善預(yù)后。除了轉(zhuǎn)運(yùn)傳遞miRNA，轉(zhuǎn)導(dǎo)一些編碼軟骨細(xì)胞生長的重要細(xì)胞因子或轉(zhuǎn)導(dǎo)抗炎因子，促進(jìn)軟骨再生及減輕炎癥反應(yīng)，也是一種頗有應(yīng)用前景的 OA 基因治療方案[37]。此外，外泌體還可直接作為藥物的天然載體，免疫細(xì)胞來源的外泌體能更好地避免免疫清除，延長外泌體在外周循環(huán)中的滯留時間，從而提高藥物的療效[39]。因此，外泌體未來有可能作為藥物的天然載體用于OA臨床治療。

4 外泌體在OA治療中的應(yīng)用前景

不同來源的外泌體其對OA的作用并不相同，但無論是加重OA病變還是緩解OA進(jìn)程，外泌體對OA未來研究的潛力巨大。在OA治療方面，外泌體對于手術(shù)創(chuàng)傷、藥物誘導(dǎo)等各種OA動物模型均有明顯緩解作用。隨著細(xì)胞生物分子技術(shù)工程的發(fā)展，外泌體制備與純化技術(shù)的革新，外泌體發(fā)揮生物效應(yīng)機(jī)制的深入研究，外泌體有望成為OA臨床治療的新策略。