外泌體應(yīng)用于激素性股骨頭壞死診療的相關(guān)性研究進(jìn)展

王澤，金盛陽(yáng)，王洪

（華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院 骨科，湖北 武漢 430022）

0 引言

股骨頭壞死（Osteonecrosis of the Femoral Head,ONFH）是骨科領(lǐng)域中常見(jiàn)的疾病。大劑量激素的應(yīng)用是股骨頭壞死的常見(jiàn)誘因。激素性股骨頭壞 死（Steroid-induced Avascular Necrosis of the Femoral Head,SANFH）是指應(yīng)用大劑量糖皮質(zhì)激素后，進(jìn)行性的股骨頭活性成分死亡導(dǎo)致股骨頭結(jié)構(gòu)改變，最終導(dǎo)致股骨頭塌陷[1]。近年來(lái)，對(duì)SANFH 的研究在多方面有了進(jìn)展，但其壞死機(jī)制仍不明確。對(duì)其進(jìn)行更深層次的研究，為SANFH 的診療提供更為精準(zhǔn)的策略，是學(xué)者不斷追求的目標(biāo)。研究表明，外泌體是細(xì)胞分泌的納米級(jí)（30～100nm）細(xì)胞外囊泡，其包含多種生物活性分子，如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和各種核酸，在細(xì)胞間的物質(zhì)運(yùn)輸和信號(hào)傳導(dǎo)中起著重要的作用[2]。外泌體是穩(wěn)定的囊泡結(jié)構(gòu)，可以保護(hù)內(nèi)部的核酸免受降解，是一種潛在的生物標(biāo)記物[3]。本文就不同來(lái)源的外泌體在SANFH 診斷和治療方面的研究進(jìn)展做一綜述。

細(xì)胞通過(guò)質(zhì)膜出芽形成細(xì)胞外囊泡，所有的細(xì)胞都可以分泌細(xì)胞外囊泡。外泌體是細(xì)胞外囊泡的一個(gè)亞型，囊泡直徑為30～100nm。外泌體富含蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸等多種生物活性成分，在正常細(xì)胞和病理細(xì)胞間可發(fā)揮通訊作用。Takeuchi 等發(fā)現(xiàn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分泌的外泌體可以通過(guò)促進(jìn)血管生成促進(jìn)骨再生[4]。為外泌體運(yùn)用到SANFH 的診療奠定了基礎(chǔ)。

1 不同來(lái)源外泌體在SANFH 防治的應(yīng)用

1.1 間充質(zhì)干細(xì)胞（Mesenchymal Stromal Cells,MSCs）來(lái)源的外泌體

MSCs 是一種能夠用于促進(jìn)再生和組織修復(fù)的多能干細(xì)胞，還可以分泌多種細(xì)胞因子及生長(zhǎng)因子，分泌的顆粒統(tǒng)稱為細(xì)胞外囊泡，在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。當(dāng)機(jī)體組織損傷后，MSCs 通過(guò)趨化作用到達(dá)損傷區(qū)域，自身分化并可分泌多種生物活性成分來(lái)修復(fù)受損的組織，越來(lái)越多研究表明，MSCs 通過(guò)旁分泌作用發(fā)揮其治療功能[5]。MSCs 體外擴(kuò)增簡(jiǎn)單，收集外泌體較容易，各種MSCs 來(lái)源的外泌體在再生和組織修復(fù)方面有著良好的前景。表1為幾種不同來(lái)源的外泌體在SANFH 研究中的比較。

表1 不同來(lái)源的外泌體在SANFH 研究中的比較

1.1.1 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞BMSCs 來(lái)源外泌體（Exosomes Derived from BMSCs,BMSC-Exos）

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）是細(xì)胞療法和組織工程中最常用的干細(xì)胞。其取材方便，體外擴(kuò)增能力強(qiáng)，成骨分化能力強(qiáng)，是治療SANFH 的優(yōu)良干細(xì)胞。

BMSC-Exos 中攜帶miRNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等多種生物活性成分，Li 等發(fā)現(xiàn)正常大鼠BMSC-Exos 可以顯著促進(jìn)BMSC 增殖、成骨分化及成骨基因的表達(dá)，促進(jìn)了HUVECs 血管生成能力[6]。Li 等發(fā)現(xiàn)BMSCs經(jīng)過(guò)外源性基因修飾后，獲得富含HIF-1a 的BMSCExos 可以促進(jìn)BMSCs 的成骨分化和HUVECs 的增殖、遷移和成管作用，并且在兔SANFH 模型中，可見(jiàn)股骨頭骨小梁重建和微血管密度增加，明顯加速骨再生和血管生成[7]。Fang 等發(fā)現(xiàn)負(fù)載tsRNA-10277 的BMSC-Exos 可以降低激素誘導(dǎo)的BMSCs 的脂肪形成并增強(qiáng)其成骨作用[8]。

因此，BMSC-Exos 的成骨能力顯著，可促進(jìn)BMSC增殖、成骨分化，加速骨再生及血管生成，在SANFH的治療上具有廣闊的應(yīng)用前景，但其調(diào)控SANFH 發(fā)生發(fā)展的具體機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。

1.1.2 滑膜間充質(zhì)干細(xì)胞來(lái)源外泌體（Exosomes Derived from SMSCs,SMSC-Exos）

SMSCs 來(lái)源于關(guān)節(jié)滑膜組織，與BMSCs 相比，其具有更優(yōu)秀的軟骨分化潛能，SMSCs 移植在軟骨缺損治療上具有顯著的效果。

Guo 等發(fā)現(xiàn)SMSC-Exos 可以進(jìn)入激素誘導(dǎo)的BMSCs 中，增強(qiáng)其增殖和抗凋亡能力，將SMSC-Exos通過(guò)尾靜脈注射入大鼠SANFH 模型體內(nèi)，可以觀察到SMSC-Exos 可以減少激素誘導(dǎo)的股骨頭骨小梁丟失、骨髓壞死和脂肪細(xì)胞聚集[9]。

目前臨床上因?yàn)楦鞣N關(guān)節(jié)損傷行關(guān)節(jié)鏡手術(shù)的病人數(shù)量較多，SMSCs 來(lái)源充足，體外擴(kuò)增效果明顯，提取收集SMSC-Exos便利，具有良好的臨床應(yīng)用前景。但關(guān)于SMSC-Exos 用于SANFH 診療方面的研究較少，其療效及機(jī)制仍有待進(jìn)一步探索。

1.1.3 人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞（hucMSCs）來(lái)源外泌體（Exosomes Derived from hucMSCs hucMSC-Exos）

人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞（hucMSCs）取材方便，較其他間充質(zhì)干細(xì)胞倫理問(wèn)題少，具有更低的免疫原性。Li 等發(fā)現(xiàn)hucMSC-EXOs 可以促進(jìn)骨組織中VEGF和BMP-2 的表達(dá)，減少骨組織凋亡，升高骨小梁重建水平，增多壞死骨組織新生血管[10]。Kuang 等發(fā)現(xiàn)hucMSC-EXOs 可通過(guò)miR-21-PTEN-AKT 信號(hào)通路促進(jìn)小鼠骨樣細(xì)胞的增殖，抑制地塞米松的凋亡效應(yīng)，將hucMSC-EXOs 通過(guò)肌肉注射入大鼠SANFH模型體內(nèi)，觀察到股骨頭骨細(xì)胞凋亡減少[11]。這些研究表明hucMSC-EXOs 可能通過(guò)促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，抑制骨細(xì)胞的凋亡來(lái)治療SANFH。

1.2 富血小板血漿（Platelet-rich Plasma PRP）來(lái)源外泌體（Exosomes Derived from PRP,PRP-Exos）

PRP 由于生物相容性和安全性良好，已經(jīng)大量應(yīng)用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)中。PRP 的再生作用多歸因于血小板分泌的大量生長(zhǎng)因子，而這些生長(zhǎng)因子可以封裝在外泌體中，由外泌體進(jìn)行運(yùn)輸。Liu 等發(fā)現(xiàn)PRP-Exos 可以通過(guò)Wnt/β-catenin 信號(hào)通路促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖和遷移，抑制IL-1β 的凋亡作用，在兔骨關(guān)節(jié)炎模型中將PRP-Exos 注射入膝關(guān)節(jié)，可以促進(jìn)軟骨修復(fù)，抑制骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生[12]。Tao 等發(fā)現(xiàn)PRP-Exos 可以改善成骨細(xì)胞、BMSCs、人微血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖能力及抑制激素的凋亡效應(yīng)，阻止激素對(duì)成骨細(xì)胞、BMSCs 成骨分化能力的抑制，增強(qiáng)激素誘導(dǎo)下人微血管內(nèi)皮細(xì)胞成管能力；在大鼠SANFH 模型中，靜脈注射PRP-Exos 后發(fā)現(xiàn)其可以抑制激素的凋亡作用，防止股骨頭骨量流失及促進(jìn)血管新生[13]。

PRP 的治療效果已得到部分證實(shí)，然而PRP 中外泌體含量有限，提取PRP 需要采集大量的全血，可能限制PRP-Exos 在臨床工作中的大規(guī)模應(yīng)用[14-15]。

2 不同來(lái)源外泌體在SANFH 診斷中的應(yīng)用

激素誘導(dǎo)的股骨頭壞死是一類(lèi)潛在的疾病，可能在使用激素?cái)?shù)年后發(fā)病，且在發(fā)病早期，通常無(wú)癥狀。如何在臨床癥狀變得明顯前發(fā)現(xiàn)股骨頭壞死是治療的關(guān)鍵一步。雖然核磁共振成像（MRI）可以作為早期SANFH 確診依據(jù)，但其時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本給患者和醫(yī)療系統(tǒng)帶來(lái)較大的負(fù)擔(dān)。發(fā)現(xiàn)一種更為安全有效、省時(shí)、準(zhǔn)確的檢查迫在眉睫。越來(lái)越多研究表明，外泌體可以穩(wěn)定存在于多種體液中，如血液、尿液、唾液，并且由于外泌體中缺乏核糖核酸（RNase）酶，可以有效保護(hù)miRNAs，外泌體特異性miRNAs 是多種疾病的新生標(biāo)志物。馮林等在比較了激素性股骨頭壞死患者（39例）、創(chuàng)傷性股骨頭壞死患者（31例）、無(wú)股骨頭壞死患者（22例）BMSC 中miR-146a-5p 含量后發(fā)現(xiàn)，后者較前兩者miR-146a-5p 含量明顯升高[16]。Zhu 等在比較了85例SANFH 患者和115例健康獻(xiàn)血者的血清樣本后發(fā)現(xiàn)，SANFH 患者血清外泌體含量顯著低于健康獻(xiàn)血者[17]。Zhang 等在比較了健康受試者、系統(tǒng)性紅斑狼瘡（SLE）患者、SLE 合并SANFH 患者血清外泌體MiRNAs 后，發(fā)現(xiàn)hsa-miR-135b-5p 在SANFH 患者血清外泌體中顯著升高[18]。SANFH 患者與健康人群體內(nèi)外泌體的數(shù)量及生物活性成分存在一定的差異，這些差異可以作為診斷SANFH的檢測(cè)指標(biāo)。

3 小結(jié)

外泌體作為一種細(xì)胞分泌的細(xì)胞外囊泡，其幾乎可以穩(wěn)定存在于所有的體液中，且富含脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸，可以作為疾病檢測(cè)和診斷的指標(biāo)，能夠傳遞生物活性成分，甚至可作為藥物載體進(jìn)行靶向治療。外泌體是如今研究的熱點(diǎn)，在多種疾病的診斷及治療中已經(jīng)對(duì)其有了一定的研究成果。雖然國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果顯示不同細(xì)胞分泌的外泌體可以對(duì)SANFH 有一定的治療作用。但外泌體在治療過(guò)程中具體的作用機(jī)制尚未闡明，仍需要進(jìn)一步研究其活性成分及生物學(xué)特性。在SANFH 發(fā)展過(guò)程中，外泌體中蛋白質(zhì)和miRNAs 含量發(fā)生了變化。基于這些變化，外泌體可以作為診斷SANFH 的生物標(biāo)志物。目前研究關(guān)于SANFH 診斷的相關(guān)外泌體指標(biāo)檢測(cè)例數(shù)過(guò)少，需要進(jìn)行更多的研究來(lái)確定外泌體中含量發(fā)生變化的特異性miRNA 和蛋白質(zhì)種類(lèi)。此外，隨著外泌體提取提純技術(shù)的發(fā)展，其在SANFH 研究中存在巨大潛力，可能在SANFH 防治、診斷和靶向用藥方面具有重大意義，有望降低SANFH 的發(fā)病率、提高早期SANFH 確診率及治愈率，并推動(dòng)外泌體的研究及臨床應(yīng)用。