間充質(zhì)干細(xì)胞來源外泌體修復(fù)膝骨關(guān)節(jié)炎軟骨損傷作用機制的研究進展

伏玉龍,郭珈宜,李峰,張亦可,曹坤燕

(1.河南中醫(yī)藥大學(xué)研究生院,河南 鄭州 450046;2.河南省洛陽正骨醫(yī)院/河南省骨科醫(yī)院,河南 洛陽 471002)

膝骨關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis,KOA)以膝關(guān)節(jié)軟骨退變和軟骨下骨骨質(zhì)增生為主要病理特征,以膝關(guān)節(jié)疼痛、腫脹、活動受限為主要臨床表現(xiàn),嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量,具有較高的致殘率[1-2]。軟骨組織退變是KOA最典型的病理特征,與軟骨細(xì)胞凋亡、細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrixc,ECM)降解關(guān)系密切[3-4]。目前臨床上采用非手術(shù)療法治療KOA,均不能遏制或逆轉(zhuǎn)KOA進程;晚期KOA患者可通過人工膝關(guān)節(jié)置換治療,但人工膝關(guān)節(jié)置換存在治療費用高、并發(fā)癥多等問題[5]。隨著對間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell,MSC)研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)MSC在修復(fù)軟骨損傷方面具有獨特的優(yōu)勢,關(guān)節(jié)腔注射MSC有望成為治療KOA的重要療法[6]。而外泌體(exosome,EXO)是MSC修復(fù)軟骨損傷的主要有效成分[7-8],且具有易于收集和儲存、穩(wěn)定性好、靶向性強及免疫排斥性低等優(yōu)點,在組織修復(fù)領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛能[9]。本文對MSC來源的EXO(MSC-EXO)進行了概述,并對MSC-EXO修復(fù)KOA軟骨損傷作用機制的研究進展進行了綜述。

1 MSC-EXO概述

EXO是細(xì)胞分泌的直徑40～150 nm的多囊泡體,可穩(wěn)定存在于多種體液、分泌液及細(xì)胞培養(yǎng)基中,在旁分泌中發(fā)揮重要作用[10]。MSC-EXO內(nèi)含有核酸(mRNA、miRNA等)、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等物質(zhì),具有MSC的部分生理功能,如促進軟骨再生[11-12]。MSC-EXO可從骨髓、脂肪、臍帶等組織中獲得[13]。不同來源MSC-EXO的組成成分存在差異,但包括凋亡相關(guān)基因2相互作用蛋白X、腫瘤易感基因101及CD9、CD63或CD81等跨膜蛋白在MSC-EXO中較為保守,常被作為MSC-EXO的標(biāo)記蛋白[14]。

2 MSC-EXO修復(fù)KOA軟骨損傷的作用機制

2.1 抑制軟骨ECM降解軟骨由軟骨細(xì)胞和ECM構(gòu)成。軟骨細(xì)胞是軟骨中唯一的細(xì)胞類型,在維持軟骨形態(tài)和功能方面發(fā)揮重要作用。隨著年齡增長,機體功能下降及其他多種因素導(dǎo)致軟骨細(xì)胞維持其ECM穩(wěn)定的能力下降,ECM合成與降解之間的平衡失調(diào),導(dǎo)致潮線向軟骨層推移,軟骨組織逐漸退變[15]。因此,維持ECM的穩(wěn)定對于延緩KOA進展具有重要作用。Wang等[16]采用膝關(guān)節(jié)腔注射胚胎MSC-EXO干預(yù)KOA模型小鼠,結(jié)果顯示小鼠關(guān)節(jié)軟骨組織中Ⅱ型膠原的蛋白表達量升高,而聚蛋白多糖酶的蛋白表達量下降,認(rèn)為胚胎MSC-EXO能夠抑制軟骨ECM的降解,增強軟骨的穩(wěn)定性?；|(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)是ECM降解的重要蛋白酶之一,在軟骨損傷進程中起關(guān)鍵作用[17]。Rilla等[9]研究發(fā)現(xiàn),MSC-EXO能夠降低MMP-13的活性,進而抑制軟骨ECM的降解。He等[18]研究發(fā)現(xiàn),在KOA模型大鼠膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射的骨髓MSC-EXO能夠被軟骨細(xì)胞內(nèi)吞,進而提高軟骨組織中Ⅱ型膠原和蛋白聚糖的含量,降低MMP-13和聚蛋白多糖酶的表達量,提示骨髓MSC-EXO能夠有效促進軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的合成,修復(fù)軟骨損傷。

2.2 調(diào)控軟骨細(xì)胞增殖與凋亡在健康人體軟骨組織中,軟骨細(xì)胞的增殖和凋亡處于動態(tài)平衡之中,如果細(xì)胞凋亡速度過快,二者間的平衡被打破,則會導(dǎo)致軟骨組織退變。KOA患者軟骨細(xì)胞增殖能力降低、細(xì)胞凋亡水平增加,導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)軟骨組織退變[19]。因此,抑制軟骨細(xì)胞凋亡、促進軟骨細(xì)胞增殖對防治KOA軟骨組織退變具有重要意義。Zhou等[20]研究發(fā)現(xiàn),在KOA小鼠中注射骨髓MSC-EXO可減輕KOA癥狀,進一步機制分析結(jié)果表明,骨髓MSC-EXO能夠通過骨形態(tài)發(fā)生蛋白4信號通路促進軟骨細(xì)胞的增殖,進而延緩KOA的進展。Yan等[21-22]研究發(fā)現(xiàn),臍帶MSC-EXO的lncRNA H19可作為miR-29b-3p的競爭性內(nèi)源海綿,干擾miR-29b-3p對叉頭框蛋白O3(forkhead box O3,FoxO3)信號通路的靶向抑制作用,而FoxO3在促進軟骨細(xì)胞遷移、分泌基質(zhì)及抑制軟骨細(xì)胞凋亡與衰老進程中發(fā)揮重要作用。因此,臍帶MSC-EXO中的lncRNAH19在促進軟骨細(xì)胞增殖和抑制軟骨細(xì)胞凋亡中發(fā)揮重要作用。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),MSC-EXO能夠通過蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)、細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)、Wnt等信號通路調(diào)控細(xì)胞的增殖與凋亡[23-24]。Kuang等[25]研究發(fā)現(xiàn),臍帶MSC-EXO通過Akt信號通路抑制B淋巴細(xì)胞瘤-2基因相關(guān)啟動子蛋白、半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶3的活性,進而抑制軟骨細(xì)胞凋亡。線粒體功能障礙是導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的重要原因之一,且與Akt、ERK等信號通路相關(guān)[26]。Qi等[27]在體外培養(yǎng)的軟骨細(xì)胞中加入白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-1β以誘導(dǎo)其凋亡,發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞凋亡過程中線粒體膜電位異常、ERK的磷酸化水平升高、Akt的磷酸化水平降低,而加入骨髓MSC-EXO能夠顯著改善這些異常改變,認(rèn)為骨髓MSC-EXO能夠抑制IL-1β誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞凋亡。Wang等[28-29]研究發(fā)現(xiàn),骨髓MSC-EXO能夠通過抑制軟骨細(xì)胞中鈣黏蛋白-11的表達抑制Wnt通路的激活,進而促進軟骨細(xì)胞增殖、抑制軟骨細(xì)胞凋亡。

2.3 抑制炎癥反應(yīng)KOA患者IL-1β和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α的表達量顯著增加,而IL-1β、TNF-α均能作用于痛覺神經(jīng)上相應(yīng)的受體,進而引起疼痛[30]。此外,TNF-α還能夠通過核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)、磷脂酰肌醇3-激酶/Akt等信號通路促進IL-1β及其他炎癥因子的表達[31]。抑制炎癥反應(yīng)對于促進軟骨組織修復(fù)意義重大。Vonk等[32]研究發(fā)現(xiàn),骨髓MSC-EXO能夠抑制NF-κB抑制蛋白的磷酸化,進而抑制NF-κB信號通路,降低相關(guān)炎癥因子的表達。此外,MSC-EXO還能夠促進IL-10和轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)的表達,促進軟骨組織的修復(fù)[33]。Jiang等[34]在采用IL-1β誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞的培養(yǎng)基中加入骨髓MSC-EXO,軟骨細(xì)胞中TNF-α、IL-6等炎癥因子的表達受到抑制。邢逸等[35]研究發(fā)現(xiàn),骨髓MSC-EXO能夠促使關(guān)節(jié)滑膜液中免疫細(xì)胞的極化,并下調(diào)IL-6、IL-1β的mRNA表達水平,上調(diào)TGF-β1的mRNA表達水平,認(rèn)為骨髓MSC-EXO具有抑制炎癥反應(yīng)、促進軟骨修復(fù)的作用。Zhou等[36]采用富含miR-126-3p的滑膜MSC-EXO干預(yù)KOA大鼠,干預(yù)后大鼠軟骨組織中IL-1β、TNF-α的蛋白表達量均降低。因此,MSC-EXO促進軟骨損傷修復(fù)的重要作用機制之一是抑制炎癥因子的表達,進而為軟骨修復(fù)提供良好的微環(huán)境。

2.4 增強軟骨細(xì)胞自噬自噬是細(xì)胞通過降解自身細(xì)胞器和細(xì)胞質(zhì)蛋白維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的過程[37]。雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin,mTOR)是調(diào)控細(xì)胞自噬的重要蛋白之一,抑制mTOR的表達能夠增強KOA軟骨細(xì)胞自噬,避免軟骨細(xì)胞進入凋亡途徑[38]。Wu等[39]研究發(fā)現(xiàn),髕下脂肪墊MSC-EXO能夠顯著增強IL-1β誘導(dǎo)下軟骨細(xì)胞的保護性自噬,其作用機制可能與抑制mTOR有關(guān),而髕下脂肪墊MSC-EXO的miRNA測序結(jié)果顯示,髕下脂肪墊MSC-EXO中富含miR-100-5P。Luo等[40]研究發(fā)現(xiàn),mTOR mRNA是miR-100的直接靶標(biāo),髕下脂肪墊MSC-EXO可能通過miR-100-5P抑制mTOR的表達,進而增強軟骨細(xì)胞自噬。

3 小 結(jié)

MSC-EXO是由MSC分泌的具有MSC部分生理功能的多囊泡體,相較于MSC具有易于收集和儲存、穩(wěn)定性好、靶向性強及免疫排斥性低等優(yōu)點。MSC-EXO能夠通過抑制軟骨ECM降解、調(diào)控細(xì)胞增殖與凋亡、抑制炎癥反應(yīng)、增強軟骨細(xì)胞自噬等作用機制,促進軟骨組織修復(fù),增強軟骨的穩(wěn)定性,進而延緩KOA進展。MSC-EXO在修復(fù)KOA軟骨損傷方面具有獨特優(yōu)勢,關(guān)節(jié)腔注射MSC-EXO有望成為治療KOA的重要療法,但目前在治療時機、治療用量及治療頻次等方面均未形成規(guī)范,尚需更多的臨床試驗進一步深入探究。