外泌體攜載微小RNA治療骨關(guān)節(jié)炎的研究

孫碩 張錫光* 岳喬寧 余小超 張少雄 滕宜榮 滕兆偉

1.昆明醫(yī)科大學第六附屬醫(yī)院骨外科，云南 玉溪 653100 2.昆明醫(yī)科大學第六附屬醫(yī)院全科醫(yī)學科，云南 玉溪 653100 3.云南省第一人民醫(yī)院骨外科，云南 昆明 650000

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是常見的退行性骨關(guān)節(jié)疾病，以關(guān)節(jié)軟骨破壞、滑膜炎癥、軟骨下骨硬化和細胞外基質(zhì)丟失等為主要特征，是全球范圍內(nèi)致殘的主要原因之一[1]。在我國，骨關(guān)節(jié)炎每年的平均診療費用高昂，造成了巨大的經(jīng)濟負擔。因此，闡明骨關(guān)節(jié)炎的具體機制并尋求新的診治策略，成為亟待解決的衛(wèi)生健康問題。

目前治療骨關(guān)節(jié)炎的方法多樣，早期患者常采用保守治療，包括服用非甾體類抗炎藥、氨基葡萄糖等，中晚期患者則采用自體軟骨細胞移植、關(guān)節(jié)置換等有創(chuàng)治療方式[2-3]。既往治療具有副作用明顯、創(chuàng)傷大等特點，因此學者們在尋求更加高效的治療方式。外泌體具有穩(wěn)定性高、靶向作用強等優(yōu)勢，且外泌體能通過攜帶微小RNA(microRNA，miRNA)來介導關(guān)節(jié)軟骨細胞間通訊并調(diào)節(jié)受體細胞的生物活性，進而調(diào)控病情進展[4]。因此，探索外泌體及miRNA在骨關(guān)節(jié)炎診療中的作用機制并應(yīng)用于此類疾病，具有重大的研究及臨床意義。

1 外泌體及miRNA的結(jié)構(gòu)及功能

外泌體(exosome)是由細胞分泌的納米大小的小細胞外囊泡，通過攜帶核酸、蛋白質(zhì)等其他生物活性物質(zhì)，在人體的生理和病理過程中發(fā)揮作用[5]；其可將生化分子轉(zhuǎn)移到靶細胞內(nèi)，通過調(diào)控靶基因及蛋白，進而介導生物學過程[6]。外泌體參與骨關(guān)節(jié)炎的炎癥、免疫調(diào)節(jié)、血管新生及軟骨修復(fù)等方面[7]，因此，將外泌體應(yīng)用于骨關(guān)節(jié)炎，可能為骨關(guān)節(jié)炎的診療開拓新的視野。

miRNA是長度為19～25個核苷酸的單鏈非編碼RNA，可以影響各種細胞過程，并在各種疾病中發(fā)揮重要作用[8]。miRNA已被證明可以調(diào)節(jié)不同疾病中的不同細胞過程，如通過介導Wnt/β-catenin途徑，發(fā)揮調(diào)控軟骨細胞和骨細胞代謝活性的作用，為miRNA作為骨關(guān)節(jié)炎治療藥物提供了新的理論依據(jù)[9]。

研究[10]發(fā)現(xiàn)，外泌體可通過攜載miRNA促進軟骨細胞增殖和基質(zhì)分泌，減少瘢痕組織形成并消退炎癥，進而在軟骨再生中發(fā)揮作用。因此，深入挖掘并闡述外泌體及miRNA在骨關(guān)節(jié)炎診療方面的機制，為骨關(guān)節(jié)炎提供了新的研究靶點。本文就不同來源外泌體攜載miRNA在骨關(guān)節(jié)炎病情進展中的作用進行綜述，以期對骨關(guān)節(jié)炎的診療有所幫助。

2 不同來源外泌體攜載miRNA在骨關(guān)節(jié)炎進展中的研究

2.1 骨髓間充質(zhì)干細胞源外泌體

骨髓間充質(zhì)干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs)具有多向分化和自我更新的潛力，可分化為成骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞等；還可通過旁分泌機制發(fā)揮組織修復(fù)等功能[11-12]。因而，深入挖掘探索骨髓間充質(zhì)干細胞在骨關(guān)節(jié)炎中的作用機制，為骨關(guān)節(jié)炎的診療開拓了新的視野。

骨髓間充質(zhì)干細胞源外泌體可通過攜載miRNA發(fā)揮其治療作用，進而解決臨床疾病治療和組織工程研究中的重要問題。Tao Yunxia等[13]學者研究發(fā)現(xiàn)，骨髓間充質(zhì)干細胞源外泌體，通過攜載miRNA-361-5p，下調(diào)DDX20并滅活核轉(zhuǎn)錄因子(nuclear factor-kappaB, NF-κB)信號通路，最終達到緩解骨關(guān)節(jié)炎癥狀的臨床效果。骨髓間充質(zhì)干細胞衍生的外泌體源miR-206，通過減少E74樣轉(zhuǎn)錄因子3(E74-like ETS transcription factor 3, Elf3)，可促進骨關(guān)節(jié)炎中成骨細胞的增殖和分化，為骨關(guān)節(jié)炎的治療提供新的靶點[14]。骨髓間充質(zhì)干細胞源外泌體過表達miR-26a-5p，可作為骨關(guān)節(jié)炎中前列腺素內(nèi)過氧化物合成酶2(prostaglandin-endoperoxide synthase2, PTGS2) 損傷滑膜成纖維細胞的抑制劑，在小鼠骨關(guān)節(jié)炎模型的診療中，發(fā)揮了重要作用[15]。作為miR-9-5p的靶基因，多配體蛋白聚糖-1(syndecan-1, SDC-1)的上調(diào)導致炎癥和骨關(guān)節(jié)炎樣損傷加重，骨髓間充質(zhì)干細胞來源的外泌體miR-9-5p通過抑制SDC1，發(fā)揮抗炎及保護軟骨的關(guān)鍵作用[16]。

2.2 軟骨細胞源外泌體

軟骨細胞源外泌體可選擇性富集miRNAs，在骨形成、軟骨發(fā)育相關(guān)的各種信號通路中，這些miRNA扮演著重要角色[17-18]。

Mao Guping等[19]研究報道，骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞源外泌體通過攜帶miR-95-5p直接靶向于組蛋白去乙?；?HDAC)-2/8，進而促進軟骨形成，抑制骨關(guān)節(jié)炎病情進展。因此，攜帶miR-95-5p的軟骨細胞源外泌體可作為HDAC2/8抑制劑并表現(xiàn)出作為骨關(guān)節(jié)炎藥物的重要潛力。

骨關(guān)節(jié)炎軟骨下骨的成骨細胞釋放的外泌體源miR-210-5p在軟骨變性的進展中起著關(guān)鍵作用，可能是骨關(guān)節(jié)炎治療干預(yù)的潛在靶點。Wu Xiaoxin等[20]學者研究發(fā)現(xiàn)，在骨關(guān)節(jié)炎硬化性軟骨下骨的成骨細胞外泌體中，miR-210-5p高度富集且能抑制軟骨細胞的耗氧速率，改變骨關(guān)節(jié)炎中軟骨細胞常見的生物能量狀態(tài)。因此，關(guān)注并研究骨關(guān)節(jié)炎軟骨下骨源外泌體攜載的miR-210-5p，對于臨床上骨關(guān)節(jié)炎的診療具有重要意義。

2.3 滑膜源外泌體

探索滑膜源外泌體miRNAs在絕經(jīng)后女性骨關(guān)節(jié)炎中的作用機制，可為骨關(guān)節(jié)炎的診治提供新的作用手段。在女性骨關(guān)節(jié)炎患者中，滑膜源的特異性外泌體miRNAs可與雌激素相結(jié)合并可靶向Toll樣受體(toll-like receptors, TLR)信號通路[21]，這可能是絕經(jīng)后女性骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病率增加的重要原因。

滑膜間充質(zhì)干細胞源外泌體能夠通過攜載過表達miR-140-5p增強關(guān)節(jié)軟骨細胞的增殖和遷移能力，而不會損害細胞外基質(zhì)的分泌，發(fā)揮增強軟骨組織再生并預(yù)防膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的作用[22]。

滑膜間充質(zhì)干細胞源外泌體還可通過攜載miR-155-5p促進骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞的增殖和遷移，抑制細胞凋亡，增強軟骨外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)的分泌量并有效地阻止小鼠模型中的骨關(guān)節(jié)炎癥狀[23]。

2.4 尿液干細胞源外泌體

尿液干細胞因來源廣又可調(diào)控骨關(guān)節(jié)炎的病程，因而也受到了研究人員的關(guān)注。Liu Yuan等[24]發(fā)現(xiàn)，通過在IL-1β處理的骨關(guān)節(jié)炎大鼠模型關(guān)節(jié)內(nèi)注射人尿液干細胞衍生的外泌體后，軟骨細胞的增殖和遷移能力增強，細胞凋亡受到抑制，但細胞外基質(zhì)分泌量有減少；當使用攜載miR-140-5p的慢病毒顆粒轉(zhuǎn)染上述人尿液干細胞，收集其分泌的外泌體注射至同樣處理的骨關(guān)節(jié)炎大鼠模型內(nèi)，發(fā)現(xiàn)攜載miR-140-5p的外泌體不僅能增強軟骨再生和軟骨下骨重塑，還通過靶向血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor A, VEGFA)增加了細胞外基質(zhì)的分泌。

2.5 胚胎間充質(zhì)干細胞源外泌體

胚胎間充質(zhì)干細胞類似于成人間充質(zhì)干細胞，也具有免疫調(diào)節(jié)特性和再生潛力，可作為治療各種疾病的細胞來源。

人胚胎間充質(zhì)干細胞衍生的外泌體源miR-100-5p直接靶向作用于NADPH氧化酶4(NADPH oxidase 4, NOX4)，抑制了環(huán)狀菌株誘導的關(guān)節(jié)軟骨細胞活性氧(reactive oxygen species, ROS)產(chǎn)生和細胞凋亡。表明miR-100-5p/NOX4軸在原發(fā)性關(guān)節(jié)軟骨細胞損傷中的重要性，為關(guān)節(jié)軟骨細胞損傷和骨關(guān)節(jié)炎的治療策略提供了新的見解[25]。

2.6 髕下脂肪墊間質(zhì)干細胞源外泌體

在臨床膝關(guān)節(jié)手術(shù)中，髕下脂肪墊簡單易獲取，因此，髕下脂肪墊的應(yīng)用逐漸得到了臨床醫(yī)生的認可。髕下脂肪墊間質(zhì)干細胞源外泌體攜帶大量miRNA-100-5p，可激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)自噬信號通路，抑制細胞凋亡，增強基質(zhì)合成，降低體外分解代謝因子的表達，改善骨關(guān)節(jié)炎嚴重程度，從而保護關(guān)節(jié)軟骨并改善步態(tài)異常癥狀[26-27]。

3 工程化外泌體

天然外泌體具有靶向性差、有效作用數(shù)量少等特點，而通過電穿孔、孵育等方法制備得到含有選定miRNA、藥物和酶等物質(zhì)的工程化外泌體，有效解決了天然外泌體存在的問題[28]。

Liang Yujie等[29]學者研究發(fā)現(xiàn)，將軟骨細胞親和肽(chondrocyte-affinity peptide, CAP)與溶酶體相關(guān)膜糖蛋白融合獲得CAP外泌體，該外泌體可以有效地封裝miR-140，特異性進入軟骨細胞，抑制軟骨降解蛋白酶并緩解大鼠模型中骨關(guān)節(jié)炎的進展，為骨關(guān)節(jié)炎的治療提供了潛在的策略。因此，闡明工程化外泌體的作用機制并將其應(yīng)用于骨關(guān)節(jié)炎等疾病具有重大意義。

4 總結(jié)及展望

骨關(guān)節(jié)炎因危害性大已成為重大的社會健康問題。外泌體具有來源廣、穩(wěn)定性好、治療方式多樣等優(yōu)勢且通過攜帶miRNA等在骨關(guān)節(jié)炎病情進展的診療上發(fā)揮關(guān)鍵作用，被認為是骨關(guān)節(jié)炎等疾病的重要治療方式之一。近期研究發(fā)現(xiàn)，工程化外泌體通過攜載miRNA也可發(fā)揮治療骨關(guān)節(jié)炎的作用。

不同來源外泌體通過攜載miRNA對骨關(guān)節(jié)炎的作用機制和應(yīng)用效果各異，但隨著生物技術(shù)的不斷進步以及廣大學者的不斷探索，外泌體及miRNA終將在骨關(guān)節(jié)炎等疾病的診療方面大放異彩。