臍帶間充質干細胞外泌體在腫瘤治療中的研究進展

李香影, 剛喬健, 牟力圓, 盛英達, 哈小琴

(1. 甘肅中醫(yī)藥大學 公共衛(wèi)生學院, 甘肅 蘭州, 730000;2. 解放軍聯(lián)勤保障部隊第九四〇醫(yī)院, 甘肅 蘭州, 730050;3. 甘肅省干細胞與基因藥物重點實驗室, 甘肅 蘭州, 730050;4. 蘭州大學第二臨床醫(yī)學院, 甘肅 蘭州, 730000)

美國癌癥協(xié)會2021年發(fā)布的全球癌癥統(tǒng)計報告[1]顯示，結直腸癌、乳腺癌、前列腺癌及肺癌的病死率呈下降趨勢，近年來治療方法的進步是主要原因之一。傳統(tǒng)手術、放化療等抗腫瘤方法有嚴重副作用，迫切需要一種安全有效的治療方法。外泌體是納米級細胞外囊泡，具有生物相容性好、免疫原性低、毒性低和靶向特異性好等優(yōu)點[2]。間充質干細胞外泌體(MSC-Exo)作為一種極具潛力的靶向治療方法，近年來引起了研究者的廣泛關注。本文綜述了臍帶間充質干細胞外泌體(UC-MSC-Exo)抗腫瘤的作用機制及治療潛力，以期為進一步研究和開發(fā)基于UC-MSC-Exo的腫瘤治療提供新思路。

1 UC-MSC-Exo的特性與腫瘤

間充質干細胞(MSCs)是一類具有自我更新能力和多向分化潛能的多能干細胞，由于其具有強大的免疫調節(jié)和組織再生修復能力及免疫抑制特性, MSCs療法已成為治療癌癥的新策略。臍帶間充質干細胞(UC-MSCs)是一種來源于臍帶組織的干細胞，其獲取方式對機體的侵入性較小，免疫原性低，易于分離培養(yǎng)，無倫理道德問題[3], 因此近年來在臨床得到廣泛應用。截至2022年7月，共有357項UC-MSCs臨床試驗注冊于美國國家衛(wèi)生研究院臨床試驗注冊網站，其中10項涉及腫瘤治療。UC-MSCs具有較強的細胞增殖能力和修復能力，參與調節(jié)腫瘤進展和免疫應答。研究[4-5]表明, UC-MSCs可以通過外泌體作用于免疫細胞，從而延緩腫瘤細胞的生長。

外泌體直徑為30～50 nm, 是一種由細胞內多泡體與細胞膜融合后釋放出的小囊泡，含有蛋白質、核酸、脂質等成分，在介導細胞間物質傳遞及信息交流中發(fā)揮重要作用[6]。由于結構類似于細胞膜，外泌體不僅具有良好的耐受性，而且能夠逃避免疫系統(tǒng)細胞的吞噬[7]。研究[8]表明，外泌體參與腫瘤微環(huán)境(TME)調節(jié)，對腫瘤的增殖和進展起著重要作用。此外，外泌體可“識別”特定細胞，通過外泌體傳遞治療藥物比其他生物載體(如脂質體)具有更好的療效和較小的脫靶效應。因此，外泌體可以用于治療性遞送小分子、蛋白質和 RNA, 從而高效靶向癌細胞。與MSCs相比, MSC-Exo具有相同或更好的治療效果，并且避免了MSCs引起的免疫排斥等不良反應，在與腫瘤細胞相互作用的過程中表現出更好的組織穿透性、生物相容性和穩(wěn)定性[9]。

UC-MSC-Exo既保留了UC-MSCs的優(yōu)點，又具有外泌體相關優(yōu)勢，已經成為納米藥物傳遞的主要載體。目前，它們已經在包括腫瘤、神經退行性疾病和免疫疾病在內的多種疾病治療中得到應用。另外，外泌體結合工程化技術可以提高藥物的靶向作用[10]。一項應用外泌體攜帶小分子STING激動劑治療晚期實體瘤的Ⅰ/Ⅱ期臨床試驗正式啟動[11]。2021年1月，美國開展了一項利用MSC-Exo裝載KrasG12D相關特異性的小分子干擾核糖核酸(siRNA)來抑制胰腺癌的Ⅰ期臨床研究(臨床試驗 ID: NCT03608631), 結果將于2023年3月公布。此外, YUAN L等[12]證實，過表達微小核糖核酸(miRNA)-148b-3p的UC-MSC-Exo可抑制乳腺癌細胞(MDA-MB-231)的增殖。以上結果表明, UC-MSC-Exo是一種理想的腫瘤藥物遞送系統(tǒng)。

2 UC-MSC-Exo在抗腫瘤中的作用及機制

2.1 促進抗腫瘤免疫反應

TME是一個由內皮細胞、成纖維細胞、免疫細胞、腫瘤細胞、MSCs等構成的復雜生態(tài)系統(tǒng)。MSCs是TME中的重要組成部分，作用是調節(jié)機體免疫功能[13], 從而延緩腫瘤生長。研究[14]表明, MSCs能使巨噬細胞極化為M2表型，減少中性粒細胞和樹突狀細胞數量，從而達到免疫抑制的目的。此外, MSCs還能通過趨化因子配體2(CCL2)通路增強CD4+和CD8+T淋巴細胞的增殖[15]。腫瘤免疫編輯理論將腫瘤免疫劃分為3個時期: 免疫監(jiān)視期，免疫平衡期和免疫逃逸期。在這3個時期中，腫瘤細胞和免疫細胞通過外泌體介導的方式頻繁溝通，特別是在腫瘤逃逸階段。外泌體是TME中一種重要的免疫調控介質，可以通過直接活化CD4+和 CD8+T淋巴細胞等多種途徑將抗原和信號轉移到抗原呈遞細胞[16]。MSC-Exo還可以通過調節(jié)腫瘤免疫反應介質(包括先天性和適應性)的產生來影響腫瘤進展。MSC-Exo主要介導免疫抑制。研究[4]發(fā)現, UC-MSC-Exo可以通過抑制炎性巨噬細胞的浸潤和功能、抑制炎性 Th17 細胞的分化、降低促炎細胞因子的表達以及誘導抗炎細胞的分化來改善潰瘍性結腸炎。LI D等[17]發(fā)現, UC-MSC-Exo通過釋放miR-182增加T細胞和自然殺傷(NK)細胞數量來調節(jié)腫瘤細胞對免疫細胞的敏感性，從而促進對腫瘤細胞的殺傷力。結果表明, UC-MSC-Exo能通過調控機體的免疫應答來增強機體的抗腫瘤免疫能力，從而抑制腫瘤進展。

2.2 抑制腫瘤增殖、侵襲和轉移

MSC-Exo是MSCs與腫瘤微環(huán)境(TME)相互作用的橋梁，可以通過傳遞功能性生物分子(如蛋白質、RNA等)來調控TME，影響腫瘤進展。特別是外泌體miRNA，外泌體的閉合功能可以阻止miRNA被降解，使其轉移至受體細胞并參與多種腫瘤相關的生物過程，在TME及腫瘤治療中扮演著關鍵角色。越來越多研究證明，來自UC-MSC-Exo的miRNA可以在多種癌癥中發(fā)揮抗腫瘤作用。JIA Y等[18]將過表達miR-139-5p的UC-MSC-Exo與膀胱癌細胞共培養(yǎng)發(fā)現, UC-MSC-Exo可將miR-139-5p轉移到膀胱癌細胞中，通過靶向下調膀胱癌中多梳狀抑制因子復合物1(PRC1)來阻止膀胱癌細胞的增殖、遷移和侵襲。UC-MSC-Exo也可以通過釋放腫瘤抑制性的miR-3940-5p來下調癌蛋白整合素α6(ITGA6)表達，從而抑制結直腸癌細胞的生長、侵襲和轉移[17]。此外, UC-MSC-Exo可以通過向腫瘤細胞傳遞miRNA來激活特定的信號通路進而控制腫瘤進展。QIU L等[19]指出, UC-MSC-Exo的miR-146a可以通過靶向層粘連蛋白亞基γ2(LAMC2) 來調節(jié)磷脂肌醇3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B (AKT) 信號通路，從而降低卵巢癌細胞的生長和化學抗性。另一項研究[20]表明，含有miR-302a的工程UC-MSC-Exo能夠通過抑制cyclin D1和AKT信號通路的表達來抑制子宮內膜癌細胞的增殖、遷移。HE Z等[21]通過皮下注射KYSE70細胞建立裸鼠皮下異種移植腫瘤模型將過表達miR-375 agomir的UC-MSC-Exo(exo-miR-375 agomir)注入裸鼠體內。結果顯示，與注射生理鹽水的小鼠相比，注射exo-miR-375 agmoir的小鼠腫瘤體積和重量顯著減少且腫瘤組織中的細胞層和細胞結構更加完整。實驗證明, UC-MSC-Exo遞送的miR-375通過下調靶基因ENAH、滅活Bcl-2信號通路來抑制食管鱗狀細胞癌(ESCC)細胞增殖、侵襲和遷移[21]。

2.3 減少血管生成

血管生成在腫瘤發(fā)生過程中起著關鍵作用。血管為腫瘤的生長和轉移提供氧氣和營養(yǎng)，促進腫瘤的發(fā)展。外泌體可以通過將信息傳遞給內皮細胞從而誘導抗血管生成信號的產生，并能根據 TME的改變調整其內容物的組成來調節(jié)血管形成[22]。外泌體miRNA介導的信號轉導能促進這一過程，在血管生成中起著重要作用。MSCs可通過分泌外泌體的方式調控VEGF的表達從而抑制血管生成。MSC-Exo攜帶的microRNA-100可以通過哺乳動物雷帕霉素蛋白(mTOR)/缺氧誘導因子1A(HIF1A)/血管內皮生長因子(VEGF)信號軸抑制血管生成進而抑制乳腺癌發(fā)展[23]。另有研究[24]表明, MSC-Exo來源的miRNA-16可以顯著且劑量依賴性地下調VEGF的表達，抑制乳腺癌細胞血管生成。此外, ROSENBERGER L等[25]發(fā)現, MSC-Exo可下調VEGF的表達，抑制口腔鱗狀細胞癌的生長。UC-MSC-Exo還可通過降低AKT磷酸化水平和促進caspase-3的產生，從而對膀胱癌的增殖起到抑制作用。

2.4 提高腫瘤細胞的藥物敏感性

腫瘤細胞對化療藥物的耐藥性是導致腫瘤治療效果不佳的主要原因。MSC-Exo與TME的調控類似，對腫瘤的耐藥性起著重要作用。近年來, MSC-Exo表達的miR-199a可以通過mTOR通路增強肝細胞癌(HCC)的化療敏感性，證明攜帶miR-199a的MSC-Exo可作為一種提高HCC化療敏感性的新策略[26]。劉強等[27]研究表明, UC-MSCs可將miR-145轉移到外泌體中，并被腎細胞癌(RCC)吸收，提高舒尼替尼對裸鼠體內和體外RCC的耐藥性。其研究還證明, UC-MSC-Exo可以通過激活半胱天冬酶信號通路來增強人白血病細胞(K562細胞)對伊馬替尼的敏感性。研究[28]顯示, UC-MSC-Exo對抗藥性的調節(jié)可以提高其在消化道腫瘤中的潛在作用和療效。

3 UC-MSC-Exo在抗腫瘤治療中的應用

3.1 作為細胞載體

目前，化療已成為最常用的腫瘤治療方案，但是，全身輸注化療藥物會引起一系列不良反應，如惡心、嘔吐、心肌病、脫發(fā)等。因此，有效的腫瘤靶向療法已成為提高療效的關鍵。迄今為止，用于腫瘤治療的藥物遞送系統(tǒng)(DDS)主要包括合成聚合物、脂質體、膠束、超磁顆粒、蛋白質和重組病毒載體[29-30]。但是，當其應用于靶向治療時，大多數納米載體難以穿過血腦屏障、穿透組織或被受體細胞吸收[31]。外泌體具有低免疫原性、低毒性、半衰期長等優(yōu)點，已成為新一代腫瘤治療的理想載體[32-33]。由于外泌體與細胞膜的結構及成分相似，其不但具有良好的耐受性而且能夠逃避免疫系統(tǒng)細胞的吞噬[7]。此外，作為藥物遞送載體的外泌體能夠長期儲存并維持其穩(wěn)定性和活性[31]。許多藥物和生物分子包括siRNA、miRNA、蛋白質、小分子藥物等，都被成功地應用于腫瘤的治療[34]。

MSCs 是目前已知的唯一一種可以大規(guī)模產生外泌體的細胞[35]。在趨化因子誘導下, MSCs能通過循環(huán)系統(tǒng)進入病變組織，并能主動靶向癌細胞，既能增強藥物作用又能減少各種不良反應。MSC-Exo不僅能夠轉移到腫瘤組織中[36], 而且能夠通過血管滲漏在腫瘤組織中沉積，進一步增強其固有的歸巢效應。MELZER C等[37]研究證明，含有紫杉醇的UC-MSC-Exo可以靶向乳腺癌組織，顯著抑制腫瘤生長。UC-MSC-Exo是一種特異且高效的靶向藥物，有望成為治療腫瘤藥物最有前途的載體。

3.2 生物工程外泌體

近些年，外泌體膜修飾、載荷封裝和外泌體體內處置的調節(jié)引起廣泛研究[38]。除共培養(yǎng)、電穿孔、凍融和機械擠壓等傳統(tǒng)的構建工程外泌體的技術外，基因工程已成為更有發(fā)展前景的選擇[39]。外泌體是一種天然的藥物遞送載體，它可以滲透到機體組織中并通過生物工程的方式提高靶向性。生物工程化的外泌體能夠將需要的內容物進行轉移并增強靶向特異性，從而具有更高的治療潛力。生物工程化的 MSC-Exo具有較強的腫瘤趨向性、低免疫原性、高耐受性和納米顆粒等特點，是一種新型的腫瘤藥物載體[7]。MSC-Exo可以通過對細胞或外泌體的直接修飾，將不同的抗癌成分包裝到MSC-Exo中，包括 miRNA、siRNA、mRNA、藥物和蛋白質[40]。例如，工程化的UC-MSC-Exo含有miR-302a, 能夠抑制cyclinD1和AKT信號通路的表達，從而對子宮內膜癌細胞的增殖和遷移起到抑制作用[20]。李洪強[41]應用CRISPR/Cas9技術定點敲入SV40LT基因，成功構建永生化UC-MSCs細胞系，并采用慢病毒系統(tǒng)構建MYC-AS1轉基因細胞系。研究[41]發(fā)現，該轉基因細胞系的外泌體具有高水平的MYC基因的長非編碼反義RNA(MYC-AS1)，對肝癌細胞HepG2具有明顯的抑制作用，對UC-MSCs及其外泌體的基礎研究和臨床應用具有重要指導意義。XIE X等[42]發(fā)現，含有 hsa-miRNA-128-3p 的UC-MSC-Exo可通過靶向 Galectin-3從而抑制胰腺癌細胞的增殖、侵襲和遷移，表明UC-MSC-Exo是胰腺癌治療的一種潛方法。XIE H等[43]研究發(fā)現，含有miR-320a的UC-MSC-Exo可能通過SOX4蛋白/Wnt/β-連環(huán)蛋白軸抑制肺癌細胞生長，證明UC-MSC-Exo在肺癌治療中的作用。LI T等[44]將含有miR-3940-5p的UC-MSC-Exo轉染到結直腸腫瘤細胞，發(fā)現其通過下調ITGA6的表達和抑制轉化生長因子β1(TGF-β1)信號通路的活性來抑制CRC細胞的上皮間充質轉化、侵襲和轉移。實驗結果表明，來自 UC-MSCs 細胞外囊泡的miR-127-3p 通過靶向ITGA6發(fā)揮抗腫瘤作用，其可作為一種新的絨毛膜癌治療策略[44]。MA H等[45]發(fā)現, UC-MSC-Exo可保護和貯藏豐富的miRNA, 向絨毛膜癌細胞系ITGA6轉移miR-127-3p。實驗結果表明，由UC-MSC-Exo分泌的miR-127-3p可通過靶向ITGA6抑制絨毛膜癌細胞的上皮間充質轉化，發(fā)揮抗腫瘤效應[45]。

4 小 結

近年來，外泌體已成為腫瘤新型療法研究的焦點。UC-MSC-Exo具有較強的腫瘤抑制性、強腫瘤趨向性、低免疫原性、高耐受性和生物相容性等優(yōu)點，已成為治療腫瘤靶向藥物的最佳載體之一。多項研究證明，外泌體結合工程技術可以進一步提高藥物的特異性和靶向性。但是，目前UC-MSC-Exo在抗腫瘤方面仍存在諸多問題亟需解決。首先, UC-MSC-Exo影響腫瘤生長和侵襲的機制尚不完全明確，仍有少數UC-MSC-Exo可以促進腫瘤進展。因此，必須仔細鑒別外泌體在腫瘤中的作用。其次，外泌體和靶細胞結合后的融合及物質排出還需更深入研究。目前，外泌體療法已進入臨床試驗階段，外泌體作為藥物載體必須評估其給藥途徑、劑量、效率和成本。臨床應用前必須為生物工程化UC-MSC-Exo的培養(yǎng)條件、修飾、生產、純化、表征和儲存建立完善的系統(tǒng)標準。

綜上所述, UC-MSC-Exo可以通過免疫調節(jié)、抑制腫瘤細胞增殖侵襲、減少血管生成和提高藥物敏感性等方式發(fā)揮抗腫瘤作用，同時還具有良好的腫瘤靶向性，已成為有前景的抗腫瘤藥物遞送系統(tǒng)。但目前UC-MSC-Exo 在腫瘤治療方面的應用尚處在初級階段，有待于更多的研究推動其從臨床前研究轉向臨床實踐。相信隨著蛋白質組學、基因組學和納米技術的不斷發(fā)展，其臨床應用必將取得重大進展。