外泌體非編碼RNA調(diào)控骨質(zhì)疏松癥研究進(jìn)展

郝茂辰 王磊 冬梅 王建忠

1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué),內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000

2.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)是全球最常見的慢性疾病之一,其主要特征為骨量減少、骨脆性增加及骨微結(jié)構(gòu)破壞[1-2],老年人骨質(zhì)疏松癥的患病率高,在中國65歲以上人群中的患病率為32%,是老年人致殘和致死的主要原因之一[3]。目前臨床上使用的骨合成代謝劑和骨吸收抑制劑治療OP的效果有限,因此需要探索新的治療方法[4-6]。

外泌體是由胞內(nèi)主動分泌到胞外的納米級囊泡微粒,包裹著包括蛋白質(zhì)、核糖核酸和脂質(zhì)在內(nèi)的多種生物活性物質(zhì),主要負(fù)責(zé)細(xì)胞間信號傳導(dǎo)[7-9]。外泌體來源豐富,在局部骨微環(huán)境中可調(diào)節(jié)相關(guān)骨細(xì)胞的增殖分化,是治療OP的潛在途徑[10-11]。約70%的人類基因組可以轉(zhuǎn)錄,其中僅有1%～2%編碼蛋白質(zhì),而剩下的98%則為非編碼RNA(noncoding RNA,ncRNA)[12]。根據(jù)其功能可以分為管家RNA[如rRNA(ribosomal RNAs,rRNAs)、tRNA(transfer RNAs,tRNAs)、snRNA(smallnuclear RNAs,snRNAs)、snoRNA(smallnuclear RNAs,snRNAs)等]和調(diào)節(jié)RNA[如miRNA(microRNAs,miRNAs)、circRNA(circular RNAs,circRNAs)、lncRNA(long noncoding RNAs,lncRNAs)、siRNA(small interfering RNAs,siRNAs)等][13-14]。目前,因ncRNA在骨細(xì)胞增殖、分化、成熟和死亡等方面發(fā)揮重要作用,針對ncRNA在骨細(xì)胞微環(huán)境中的研究逐漸成為熱點。

本文詳細(xì)闡述了外泌體來源的ncRNA在OP中研究現(xiàn)狀,對未來ncRNA靶向治療OP研究方向及臨床轉(zhuǎn)化提供了理論基礎(chǔ)。

1 外泌體miRNA與骨質(zhì)疏松癥

miRNA的序列長度通常為19～23個核苷酸,可以與RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物中的靶mRNA的3’UTR結(jié)合,并抑制mRNA的翻譯和/或穩(wěn)定性,從而抑制蛋白質(zhì)的表達(dá)。miRNA參與許多細(xì)胞功能的調(diào)節(jié),如細(xì)胞凋亡、脂質(zhì)代謝和細(xì)胞分化等[15-16]。OP的特征是由于骨吸收和骨形成之間的不平衡而導(dǎo)致的進(jìn)行性骨丟失和微觀結(jié)構(gòu)破壞[17-18]。近年來,在成骨細(xì)胞前體、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞前體和破骨細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的一些外泌體miRNA,已被證實可以通過調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化和信號傳遞來介導(dǎo)骨重塑[13,19]。外泌體miRNA因其在OP患者血清中的差異調(diào)節(jié)作用而逐漸被視為OP的重要生物標(biāo)志物[20]。

1.1 外泌體miRNA與老年型骨質(zhì)疏松癥

隨著機體衰老,衰老細(xì)胞分泌相關(guān)表型的分子到骨微環(huán)境中。這些成分可能在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cells,BMSCs)和破骨細(xì)胞之間傳遞信號,從而調(diào)節(jié)骨重塑[21]。這被認(rèn)為是老年型骨質(zhì)疏松癥骨丟失的主要原因,且眾多研究表明miRNA可能起主要作用。與此同時,外泌體分泌到細(xì)胞外環(huán)境后,能將分泌物運送到靶細(xì)胞,保護分泌物在運輸過程中不被降解[22]。因此,BMSCs和破骨細(xì)胞之間的相互作用可能依賴于外泌體miRNA在骨髓微環(huán)境中的穿梭,進(jìn)而調(diào)節(jié)骨重塑[23]。

Li等[21]研究了骨代謝相關(guān)的miRNA在老年骨折婦女和老年去卵巢(ovariectomized,OVX)小鼠的骨標(biāo)本和血清外泌體中的表達(dá),表明破骨細(xì)胞中與血清中外泌體miR-214-3p水平的升高和骨形成減少有關(guān)。在體內(nèi)外實驗證明破骨細(xì)胞來源的外泌體miR-214-3p可以轉(zhuǎn)移到成骨細(xì)胞,抑制成骨細(xì)胞的骨形成。此外,實驗表明破骨細(xì)胞靶向抑制miR-214-3p治療可以促進(jìn)衰老OVX小鼠的骨形成,這提示了一種miRNA介導(dǎo)的破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞通訊模型,用于維持局部骨環(huán)境的穩(wěn)態(tài)[18,24-25]。

Xu等[26]首次報道m(xù)iR-31a-5p通過促進(jìn)衰老相關(guān)異染色質(zhì)病灶的形成來機械調(diào)節(jié)細(xì)胞衰老。其結(jié)果表明,miR-31a-5p上調(diào),老齡大鼠的BMSCs顯示出成骨減少和衰老表型增加。此外,Xun等[27]研究表明老年骨質(zhì)疏松癥大鼠BMSCs的成骨分化在疲勞負(fù)荷后降低,這種降低可以通過高表達(dá)miRNA-19b-3p的年輕大鼠血清外泌體得到改善。Lu等[28]發(fā)現(xiàn)衰老成骨細(xì)胞來源的外泌體miR-139-5p可促進(jìn)衰老和凋亡,并通過靶點TBX1抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和遷移。Hu等[25]的研究報道了一種新型的雜化納米粒子,該納米粒子是將高表達(dá)C-X-C基序趨化因子受體4外泌體和攜帶antagomir-188的脂質(zhì)體結(jié)合而成。這種雜化納米粒子能夠特異性地聚集在骨髓中并釋放antagomiR-188,從而促進(jìn)BMSCs的成骨并抑制其成脂,逆轉(zhuǎn)小鼠年齡相關(guān)的小梁骨丟失并降低皮質(zhì)骨孔隙率。

1.2 外泌體miRNA與廢用型骨質(zhì)疏松癥

廢用型骨質(zhì)疏松癥(disuse osteoporosis,DOP)是由機體骨骼機械刺激減少,骨微環(huán)境抵抗能力降低而引起的一種OP[29]。Yang等[7]研究表明外泌體miR-1263通過直接靶向受體細(xì)胞中的Mob1發(fā)揮其功能,抑制Mob1逆轉(zhuǎn)后肢去負(fù)荷誘導(dǎo)的BMSCs的凋亡效應(yīng)。在體內(nèi),人臍帶血間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體應(yīng)用于DOP模型,以驗證其益處。此外,陳志浩等[30]研究發(fā)現(xiàn)一種力學(xué)敏感的miR-138-5p。其在不同力學(xué)條件下通過靶向微管微絲交聯(lián)因子1(MACF1)和wntβ-catenin信號通路負(fù)調(diào)控成骨細(xì)胞分化和骨形成。實驗結(jié)果顯示,在miR-138-5p高表達(dá)的轉(zhuǎn)基因小鼠和老齡小鼠中,單獨的力學(xué)加載(跑步)對成骨的增加效果并不明顯,而當(dāng)跑步的同時注射miR-138-5p抑制劑后,轉(zhuǎn)基因小鼠和老齡小鼠的成骨能力明顯增加。由此可見,miR-138-5p抑制劑可作為力學(xué)增敏劑為治療廢用型或老年性骨質(zhì)疏松提供新的策路。

1.3 外泌體miRNA與絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥

絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(postmenopausal osteoporosis,PMOP)是由于女性絕經(jīng)后雌激素減少導(dǎo)致成骨細(xì)胞減少,破骨細(xì)胞增加而引起的骨質(zhì)疏松[31-32]。研究表明,外泌體可以提高骨細(xì)胞對于雌激素的敏感性并促進(jìn)骨再生[33]。Luo等[34]發(fā)現(xiàn)骨髓基質(zhì)細(xì)胞外泌體(bone marrow stromal cell-derived exosomes,STExos)在體外顯著增強BMSCs的成骨分化,然而,在OVX誘導(dǎo)的PMOP小鼠模型中,靜脈注射STExos在改善骨質(zhì)疏松表型方面效率低下,由于STExos表面與骨髓基質(zhì)細(xì)胞特異性適配體結(jié)合,適配體將STExos遞送到骨髓基質(zhì)細(xì)胞中。靜脈注射STExo-適配體復(fù)合物可增強OVX小鼠的骨量,并加速股骨骨折小鼠模型的骨愈合。這些結(jié)果證明了骨髓基質(zhì)細(xì)胞特異性適配體功能化STExos靶向促進(jìn)骨再生的有效性。此外,葉慶元等[35]研究表明供體(mesenchymal stem cells,MSCs)來源的外泌體可通過轉(zhuǎn)運miR-26a恢復(fù)鼠雌激素缺乏骨質(zhì)疏松模型 MSCs功能并緩解骨質(zhì)疏松。

1.4 外泌體miRNA在骨質(zhì)疏松中癥的其他作用

局部血液供應(yīng)或血管生成減少在OP中起著重要作用[9,24,36-37]。研究表明,老年小鼠和OVX小鼠的H型血管數(shù)量明顯減少,這些小鼠通常患有OP[38]。Wang等[39]研究表明膝關(guān)節(jié)負(fù)荷通過增強H型血管的形成和下調(diào)外泌體miR-214-3p來促進(jìn)血管生成。血管內(nèi)皮細(xì)胞分泌的外泌體相比于BMSCs等具有更強的靶向性和更低的毒性。Song等[38]研究通過外泌體miRNA測序顯示,在經(jīng)血管內(nèi)皮細(xì)胞外泌體(endothelial cell-secreted exosomes,EC-Exos)處理的骨髓巨噬細(xì)胞(bone marrow-derived macrophages,BMMs)中,miR-155高表達(dá)。EC-Exos中的miR-155水平遠(yuǎn)高于BMMs和ECs,表明miR-155是EC衍生囊泡的內(nèi)源性載物。阻斷BMMs miR-155水平逆轉(zhuǎn)了EC-Exos對破骨細(xì)胞的抑制,證明了外泌體miR-155可能具有OP的治療潛力。綜上,EC-Exos可作為骨靶向和無毒的納米藥物治療骨吸收障礙。

此外,Wei等[8]發(fā)現(xiàn)過表達(dá)miR-424-5p的外泌體通過WIF1/Wnt/β-連環(huán)蛋白減弱成骨發(fā)育。Li等[17]研究表明BMSCs來源的外泌體通過海馬信號通路轉(zhuǎn)移miR-186促進(jìn)OVX大鼠成骨。Zhang等[40]研究表明來源于BMSCs的外泌體攜帶miR-935,通過靶向STAT1促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和分化。Qiu等[41]研究表明BMSCs來源的外泌體miR-150-3p可以上調(diào)Runx2、Osterix這些成骨因子來刺激成骨細(xì)胞的增殖和分化。Yu等[5]研究發(fā)現(xiàn)M1巨噬細(xì)胞衍生的外泌體miR-98通過下調(diào)雙特異性磷酸酶1和激活JNK信號通路加重骨丟失。以上研究均為OP的治療和預(yù)防提供了潛在的靶點。

2 外泌體lncRNA與骨質(zhì)疏松癥

lncRNA具有轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)等多種功能,具有疾病預(yù)測與診斷能力[42-44]。Liu等[45]報告了約1 500個lncRNA在骨質(zhì)疏松情況下差異表達(dá),其中約250個lncRNA表現(xiàn)出顯著差異[46]。因此,有必要對外泌體lncRNA對OP成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化進(jìn)行深入研究。

Yang等[47]研究表明BMSCs來源的外泌體lncRNA-MALAT1可能通過充當(dāng)miR-34c海綿使SATB2表達(dá)上調(diào),從而增強小鼠模型的成骨活性并緩解OP。此外,Cui等[48]研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮祖細(xì)胞衍生的外泌體LncRNA-MALAT1也可以通過充當(dāng)miR-124海綿來上調(diào)整合素亞單位β1的水平,增強破骨細(xì)胞前體的募集和分化,促進(jìn)體內(nèi)骨修復(fù)。洪宇桁等[4]和樊萍等[49]研究均表明lncRNA-NEAT1的表達(dá)在成骨分化過程中顯著下調(diào),而在破骨分化過程中顯著上調(diào),提示lncRNA-NEAT1的表達(dá)可通過誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化和抑制成骨細(xì)胞分化導(dǎo)致OP的發(fā)生。

上述研究為OP的發(fā)病機制提供了更廣泛的思路,lncRNA可能作為預(yù)測及判斷預(yù)后的指標(biāo)以及相關(guān)治療的潛在生物靶點,為OP 的預(yù)防和診斷提供理論指導(dǎo)。

3 外泌體cicrRNA與骨質(zhì)疏松癥

cicrRNA是一類新的內(nèi)源性共價連接的核糖核酸分子,沒有5’～3’極性或多聚腺苷酸尾。因其特殊的環(huán)狀結(jié)構(gòu),cicrRNA對核酸外切酶有很高的耐受性,這使得它們可以作為疾病中的特殊分子標(biāo)記物?，F(xiàn)在多項實驗數(shù)據(jù)表明cicrRNA的失調(diào)與OP有關(guān)。Yu等[50]研究發(fā)現(xiàn)共有387個circRNA在OP中差異表達(dá)。例如,Zhi等[51]研究表明血清/血漿中的has-circ-0002060在OP患者中顯著上調(diào),并與低骨密度相關(guān)。此外,has-circ-0006859通過激活miR-431-5p上調(diào)ROCK1,抑制成骨細(xì)胞分化,促進(jìn)BMSCs的成脂分化。該研究提示has-circ-0006859可作為檢測OP和疾病進(jìn)展的潛在生物標(biāo)志物,并有望成為DMOP的治療靶點。

此外,Cao等[52]研究表明外泌體circ-Rtn4通過海綿化miR-146a減弱了腫瘤壞死因子-α (TNF-α)誘導(dǎo)的小鼠MC3T3-E1細(xì)胞的細(xì)胞毒性和凋亡。Liu等[32]研究表明外泌體circHmbox1可能通過與miR-1247-5p結(jié)合抑制RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化,參與TNF-α對DMOP骨代謝的調(diào)節(jié)。由此可見,研究circRNA在骨骼細(xì)胞中的表達(dá)調(diào)控以及外泌體circRNA的產(chǎn)生對于OP的診斷、預(yù)防和治療有重要意義。

4 總結(jié)與展望

目前對外泌體ncRNA的研究主要集中在miRNA,對lncRNA及circRNA的研究較為局限,但已有研究均顯示出了其在肌肉骨骼疾病中的意義。因外泌體可以保護ncRNA免受核糖核酸酶的影響,提高其穩(wěn)定性,外泌體攜帶的ncRNA顯示出作為理想的臨床生物標(biāo)志物的巨大潛力。與其他療法相比,基于外泌體的療法更具優(yōu)勢,包括無創(chuàng)或侵入性小、無細(xì)胞、效率高、可用于篩查以及無明顯免疫原性和致瘤性等。此外,外泌體在通過骨組織工程治療OP方面具有強大的潛力。在骨組織工程中,負(fù)載材料的外泌體在骨折后OP中顯示出了獨特的優(yōu)勢。

但目前分離能力有限,只能獲得低產(chǎn)量和低純度的外泌體。而且外泌體中復(fù)雜的多種物質(zhì)在細(xì)胞通訊中的確切作用尚未明確。并且多數(shù)關(guān)于外泌體形成的ncRNA在肌肉骨骼疾病中的治療應(yīng)用的證據(jù)是基于體外研究,而體內(nèi)甚至臨床前研究更可靠,需要在未來繼續(xù)進(jìn)一步去驗證。隨著 ncRNA,尤其是circRNA、lncRNA 研究的不斷深入,未來利用外泌體攜帶ncRNA 對OP相關(guān)骨細(xì)胞特定基因?qū)崿F(xiàn)表達(dá)多點調(diào)控、協(xié)調(diào)骨重塑進(jìn)程、延緩病情進(jìn)展將有進(jìn)一步突破。