間充質(zhì)干細胞外泌體作用及機制的研究進展

余 靜(綜述)，許 力(審校)

間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)作為一種多能干細胞，具有多向分化為多種組織細胞的潛能，從而在組織修復(fù)、提高造血干細胞植入能力、免疫調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮作用。Keshtkar等研究表明MSCs主要是通過產(chǎn)生細胞外囊泡(extracellular vesicles,EVs)或旁分泌生物活性因子發(fā)揮治療作用，而不是依賴其多向分化的能力。外泌體是EVs的一種，既有母細胞的特異性表面標記，又可攜帶母細胞的遺傳信息，在細胞間進行信息的傳遞和交流，從而發(fā)揮相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)。MSCs外泌體是MSCs分泌到細胞外的一種納米級膜性囊泡，含有大量的生物信息傳播介質(zhì)，并且可以選擇性地將含有的蛋白質(zhì)、RNA等遞送至受體細胞，調(diào)節(jié)細胞間的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。因此，本文就MSCs及其外泌體生物學(xué)特性及功能、MSCs外泌體在不同疾病中的作用機制進行綜述，討論MSCs外泌體作為一種替代細胞治療的應(yīng)用前景。

1 MSCs生物學(xué)特性及功能

隨著細胞治療的發(fā)展，MSCs的再生潛能被應(yīng)用于各種疾病治療中。目前MSCs的具體作用機制仍未完全清楚，但主要從以下幾個方面發(fā)揮作用：(1)旁分泌作用：通過分泌多種生長因子和細胞因子，抑制細胞凋亡，促進細胞增殖和損傷細胞的再生。(2)免疫調(diào)節(jié)作用：通過與免疫細胞相互作用，抑制機體過度免疫反應(yīng)，誘導(dǎo)免疫耐受，并可通過促進調(diào)節(jié)性T細胞的產(chǎn)生和擴增，抑制自身反應(yīng)性效應(yīng)T細胞的應(yīng)答。(3)黏附和遷移作用：在組織損傷或炎癥反應(yīng)的信號刺激下，MSCs可遷移和歸巢至受損組織部位，發(fā)揮相應(yīng)的組織修復(fù)能力。目前，MSCs已經(jīng)應(yīng)用于血液系統(tǒng)疾病、結(jié)締組織病、心血管系統(tǒng)疾病和腦血管系統(tǒng)疾病的治療，另外MSCs在治療神經(jīng)損傷、心肌梗死損傷等也有一定的作用，取得了較好的治療效果。盡管如此，MSCs療法仍然有一定的局限性。MSCs供體異質(zhì)性、體外擴增和長期保存等問題限制了MSCs療法的臨床應(yīng)用。在標準化的MSCs分離、培養(yǎng)、擴增和治療程序之前，需要精確評估MSCs細胞群體中干細胞所占的比例。MSCs增殖能力有限，會發(fā)生衰老導(dǎo)致干性丟失，并釋放組織因子影響非衰老細胞的活性。而且隨著干細胞研究的深入，發(fā)現(xiàn)MSCs進入體內(nèi)之后，免疫抑制與免疫調(diào)節(jié)的不可控性、潛在的致瘤性、非治療目的分化以及異常堆積等，都極大地限制其在臨床的應(yīng)用及影響患者的預(yù)后。因此，尋找一種既能夠替代MSCs，又具有上述MSCs活性的物質(zhì)尤其重要。

2 MSCs外泌體生物學(xué)特性及功能

EVs是各種細胞分泌至胞外的膜結(jié)合小泡，根據(jù)大小和形態(tài)的不同，EVs分為外泌體(直徑40～100 nm)、細胞微泡(直徑100～1 000 nm)和凋亡小體(直徑100～5 000 nm)。外泌體可以運輸和傳遞信號，調(diào)節(jié)各種生物學(xué)過程，是細胞間信息交流的重要媒介。隨著機體生理狀態(tài)或病理生理的改變，外泌體的分泌及外泌體包裹的內(nèi)容物也隨著其組織起源和外在環(huán)境改變而變化。因此，不同組織來源的外泌體所含遺傳物質(zhì)也不同，執(zhí)行的功能也不同。外泌體可以作為抗原提成囊泡，在誘導(dǎo)免疫耐受、促血管生成、T淋巴細胞失活、抑制免疫反應(yīng)中起重要作用，并通過調(diào)節(jié)腫瘤細胞的黏附趨化作用促進腫瘤細胞的侵襲、轉(zhuǎn)移和進展。同樣，外泌體在維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)、參與凝血過程、對刺激信號(如感染、損傷和疾病等)作出適應(yīng)性反應(yīng)、啟動自我保護機制和促進組織修復(fù)等方面具有重要作用。MSCs外泌體采集過程相對簡單，操作性和可控性強，可在低溫中長期保存，且生物活性維持更久，在所有可以產(chǎn)生外泌體的細胞中，MSCs來源的最多。MSCs來源的外泌體與其他細胞來源的外泌體在生物學(xué)特征和培養(yǎng)儲存上沒有明顯差異，除了表達膜標記分子CD9和CD81，還表達黏附分子，如CD29、CD44和CD73等。MSCs來源的外泌體大小為30～120 nm，能通過血腦屏障，免疫原性低，半衰期長，能進行長時間、遠距離的運輸。外泌體含有大量的生物信息傳播介質(zhì)，如miRNA的遺傳信息及其他一些具有生物活性的物質(zhì)，并且可以選擇性地將含有的蛋白質(zhì)、RNA等遞送至受體細胞，調(diào)節(jié)細胞間的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。

3 MSCs外泌體在不同疾病中的作用及機制

MSCs外泌體目前主要應(yīng)用在骨組織及皮膚組織損傷修復(fù)、心肌損傷及抗移植物抗宿主病(graft-versus-host disease,GVHD)等方面，其主要作用機制是通過與靶細胞膜融合，將其內(nèi)容物釋放入靶細胞內(nèi)或與靶細胞表面受體相互作用，激活靶細胞內(nèi)信號通路，通過影響靶細胞的生物學(xué)功能發(fā)揮作用。

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MSCs外泌體在關(guān)節(jié)軟骨損傷修復(fù)中的作用及機制 骨關(guān)節(jié)炎病理過程復(fù)雜，以關(guān)節(jié)軟骨損傷和退化為特征，是致殘的重要原因，骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)再生能力較差，MSCs外泌體可通過促進軟骨細胞增殖、分化和遷移，進而促進關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)。其機制主要是MSCs外泌體增強Ⅱ型膠原和硫酸糖胺聚糖等細胞外基質(zhì)的合成，增加軟骨細胞中成軟骨基因Ⅱ型膠原a1(Col2a1)和蛋白聚糖表達，降低了軟骨細胞肥大標志物基質(zhì)金屬蛋白酶13和轉(zhuǎn)錄因子Runx2的表達，減弱了促炎因子IL-1α誘導(dǎo)的軟骨細胞增殖抑制和凋亡，進而促進關(guān)節(jié)軟骨恢復(fù)。Liu等發(fā)現(xiàn)MSCs外泌體可通過靶向調(diào)控改善軟骨細胞損傷。Zhang等發(fā)現(xiàn)MSCs外泌體通過激活腺苷介導(dǎo)的AKT和ERK信號通路，增加軟骨細胞增殖浸潤并遷移至缺損部位進而促進軟骨修復(fù)，還可通過激活SMAD信號通路促進軟骨細胞基質(zhì)合成，并可增加M2型巨噬細胞的浸潤伴隨著滑膜促炎性細胞因子IL-1α和TNF-α的減少可重建軟骨細胞免疫表型，促進軟骨的修復(fù)。Wu等發(fā)現(xiàn)，骨關(guān)節(jié)脂肪MSCs來源的外泌體通過調(diào)節(jié)miR-100-5p抑制mTOR自噬信號途徑，增強關(guān)節(jié)軟骨細胞基質(zhì)合成，抑制細胞凋亡，保護關(guān)節(jié)軟骨免受炎癥損傷，維持關(guān)節(jié)軟骨穩(wěn)態(tài)，并認為這可能是臨床改善骨關(guān)節(jié)炎嚴重程度的一種新策略。

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MSCs外泌體在皮膚損傷修復(fù)中的作用及機制

皮膚組織的再生需要皮膚細胞、細胞外基質(zhì)、血管和神經(jīng)等的協(xié)調(diào)作用，MSCs外泌體通過參與皮膚再生的過程，而在皮膚損傷后的再生中發(fā)揮著重要作用。He等發(fā)現(xiàn)MSCs外泌體通過轉(zhuǎn)移miR-223靶向傷口部位巨噬細胞pknox1基因，誘導(dǎo)巨噬細胞向M2表型極化，使特異性因子RELM-α和精氨酸酶1的表達增加，炎癥介質(zhì)IL-10表達水平升高，TNF-α表達水平降低，加速皮膚創(chuàng)面愈合。Li等發(fā)現(xiàn)MSCs外泌體通過將長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,lncRNA)H19轉(zhuǎn)移至成纖維細胞，通過microRNA-152-3p上調(diào)癌基因PTEN表達，促進成纖維細胞增殖和遷移，抑制細胞凋亡和炎癥反應(yīng)，加速糖尿病足皮膚潰瘍的愈合。Fang等發(fā)現(xiàn)臍帶來源的MSCs外泌體通過microRNAs(miR-21，miR-23a，miR-125b，and miR-145)抑制TGFα2/SMAD2通路抑制α平滑肌肌動蛋白和膠原的沉積，減輕成纖維細胞分化聚集引起的過度瘢痕，在皮膚創(chuàng)面愈合中發(fā)揮重要作用。

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MSCs外泌體在心肌損傷修復(fù)中的作用及機制

心肌細胞對缺氧刺激敏感，會發(fā)生代謝變化。細菌脂多糖可使心肌細胞低密度脂蛋白受體-1(LOX-1)上調(diào)，還可誘導(dǎo)心肌細胞Caspase-3水平明顯升高、凋亡增加。Kore等發(fā)現(xiàn)MSCs外泌體通過抑制LOX-1表達，進而抑制心肌細胞凋亡和自噬反應(yīng)，促進心肌細胞存活，保護應(yīng)激狀態(tài)下的心肌細胞。Luther等對MSCs外泌體進行miRNA測序發(fā)現(xiàn)，在幾種保護心臟的miRNA中，miR-21a-5p含量最豐富。MSCs外泌體通過增加受體心肌細胞中miR-21a-5p的水平，從而下調(diào)促凋亡基因PDCD4、PTEN、Peli1和FasL在心肌中的表達，也可能有助于血管生成、心肌細胞增殖，從而起到心臟保護作用。Zhao等發(fā)現(xiàn)心肌缺血再灌注損傷后，心肌內(nèi)注射的MSCs外泌體通過miR-182靶向調(diào)節(jié)下游Toll樣受體4(Toll-like receptor 4,TLR4)，促進M1型巨噬細胞向M2型巨噬細胞極化，減少心肌梗死面積，減輕心臟炎癥程度，保護心臟。

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MSCs外泌體在血液疾病中的作用及機制 大多數(shù)異基因造血干細胞移植后的患者術(shù)后會產(chǎn)生嚴重的并發(fā)癥，比如感染、肝靜脈閉塞病和GVHD等，而糖皮質(zhì)激素難治性GVHD是影響移植患者預(yù)后的主要因素。Kordelas等發(fā)現(xiàn)MSCs外泌體治療減少患者外周血單個核細胞和NK細胞的促炎性細胞因子IL-1α、TNF-α和IFN-α的分泌，減輕腹瀉和口腔黏膜皮膚剝脫等臨床癥狀，為GVHD治療提供一種全新的無細胞化治療方案。Xu等發(fā)現(xiàn)MSCs外泌體通過將PMSA3和PSMA3-AS1信號傳遞至骨髓瘤細胞中而增加蛋白酶體抑制劑硼替佐米的耐藥性，干擾PSMA3-AS1基因的表達，將為阻止多發(fā)性骨髓瘤的進展提供依據(jù)。Liu等發(fā)現(xiàn)人臍帶MSCs外泌體使伊馬替尼誘導(dǎo)的K562細胞Bax表達升高和Bcl-2表達降低，進一步激活Caspase-9和Caspase-3，促進白血病細胞凋亡，Caspase抑制劑Z-VAD-FMK可以逆轉(zhuǎn)此作用，結(jié)果表明MSCs外泌體增強了K562細胞對伊馬替尼的敏感性。因此，MSCs外泌體治療可能是一種有希望提高慢性粒細胞白血病療效的方法。

4 結(jié)語

MSCs外泌體在促進關(guān)節(jié)軟骨、皮膚組織損傷修復(fù)、抗腫瘤和減少心肌損傷等方面具有重要作用，其機制主要是通過水平轉(zhuǎn)移蛋白、mRNA和miRNA等遺傳物質(zhì)至靶細胞中來發(fā)揮作用，但具體作用機制較復(fù)雜，仍需要進一步研究。如何通過靶向修飾MSCs外泌體，提高治療的精準性和有效性仍有待探討。隨著未來研究的不斷發(fā)展，MSCs外泌體應(yīng)用前景廣闊，其療法將得到進一步推廣。