外泌体在骨性关节炎发病机制中的研究进展

周晓雯，李鹰扬，刘 政，袁小龙，陈雨航，谢小波

骨性关节炎（osteoarthritis，OA）的发病机制目前尚不清楚，研究认为该病的发生与软骨退变、软骨下骨退化、关节力学改变、神经传导异常等相关[1-2]。由于发病机制不详，目前也缺乏特异性的治疗手段。近几年随着外泌体研究的兴起，探索外泌体和OA的关系逐渐成为骨科领域的研究热点[3-6]。

外泌体是细胞主动向胞外分泌的大小均一的囊泡样小体，主要来源于细胞内溶酶体微粒内陷形成的多囊泡体，经多囊泡体外膜与细胞膜融合后释放到胞外基质中，直径40～100 nm。研究表明，外泌体主要参与细胞之间的通讯过程，具有抗肿瘤免疫、促血管新生等生理功能，在递呈抗原、促进肿瘤生长迁移、修复损伤组织等多种生理及病理学过程中起到重要作用，在某些疾病的早期诊断及药物靶向治疗方面也展现出独特优势[7-11]。由于外泌体来源多样，不同细胞系来源的外泌体在OA发展进程中的作用机制不尽相同。本文探讨不同细胞系来源的外泌体在OA发病进程中的作用机制，以期为OA治疗研究提供新的思路。

1 间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）来源外泌体与OA

维持正常的骨软骨微环境能够促进骨软骨组织的良好发育、自我平衡与修复等，但在OA等疾病状态下，这一微环境受到破坏。目前骨科领域研究者对MSCs关注的焦点之一就在于其通过所分泌的外泌体，在促进软骨生长、组织生成及修复过程中表现出来的治疗作用[12-14]。

MSCs外泌体参与调节的软骨修复机制之一，是外泌体在CD73介导下激活了蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/AKT）和细胞外调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinase，ERK）信号传导通路，进而加速了软骨细胞的增殖和浸润；使用AKT或ERK磷酸化抑制剂可抑制外泌体介导的细胞增殖和迁移增加，而通过CD73抑制剂和腺苷受体拮抗剂削弱AKT和ERK信号传导，可使软骨细胞的增殖速度减慢，证实了外泌体CD73对软骨细胞修复的促进作用[15]。而这一功能是通过多种细胞类型协调动员和多个细胞过程激活而实现的。

1.1 滑膜间充质干细胞（synovium-derived mesenchymal stem cells，SMSCs）来源外泌体

SMSCs是从滑膜组织中分离出来的具有强大分化功能的间质干细胞，具有软骨再生能力[16-17]。Guo等[18]的一系列体外实验结果表明，SMSCs外泌体可以促进骨髓间充质干细胞（bone marrowmesenchymal stem cells，BMSCs）的增殖，同时具有抗凋亡能力，对糖皮质激素诱导的骨坏死有预防作用。Tao等[19]进一步对Wnt信号传导和Yes相关蛋白（Yes-associated protein，YAP）活化的机制进行研究，结果发现，从miR-140修饰细胞中提取的外泌体（SMSC-140-Exos）所携带的Wnt5a和Wnt5b，可通过替代Wnt信号通路激活YAP，YAP活化后利于软骨细胞的增殖和迁移，显著降低了早期软骨细胞分化的标志基因——Sox9的表达和细胞外基质分泌；同时，Wnt5a和Wnt5b在另一条通路中通过核因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κ B）和 c-Jun 氨 基 末 端 激 酶（c-Jun NH2-terminal kinase，JNK）来抑制软骨细胞肥大，促进软骨细胞继续分化为成骨细胞，这些结果均提示，SMSC-140-Exos对OA或有一定的预防和治疗效果。通过基因技术修饰外泌体，可能是未来OA的治疗策略之一。

1.2 BMSCs来源外泌体

Cosenza等[20]发现，在OA患者的软骨细胞中，BMSCs来源的外泌体可通过诱导软骨细胞标志物Ⅱ型胶原蛋白和聚集蛋白聚糖的表达，使软骨细胞免于凋亡并抑制巨噬细胞活化。多项实验研究表明，BMSCs来源外泌体可表现出类似的软骨保护和抗炎功能[21-22]，从而揭示外泌体对OA有一定的预防和治疗作用。

1.3 胚胎干细胞源性间充质干细胞（embryonic stem cell derived-mesenchymal stem cells，ESCMSCs）来源外泌体

ESC-MSCs是由胚胎干细胞诱导分化而来的MSCs，具有与BMSCs相似的生物学功能。Wang等[23]的研究结果表明，ESC-MSCs外泌体通过促进Ⅱ型胶原蛋白合成，及降低经白细胞介素（interleukin，IL）-1β处理的血小板反应蛋白解整合素金属肽酶5（A disintegrin and metallo-proteinase with thrombospondin 5，ADAMTS5）表达水平来维持软骨细胞的表型；进一步的动物实验结果显示，关节腔内注射ESC-MSCs可减轻软骨破坏和基质降解，这一效应是通过ESC-MSCs来源外泌体的作用实现的，而关节内注射ESC-MSCs来源外泌体，可在内侧半月板失稳动物模型中成功阻碍对软骨的破坏进程。因此人们推测，ESC-MSCs产生的外泌体可能通过平衡软骨细胞细胞外基质的合成和降解，起到对OA的治疗作用。

1.4 脂肪间充质干细胞（adipose-derived stem cells，ASCs）来源外泌体

Maumus等[24]的实验结果显示，ASCs的分泌物能阻止软骨细胞出现与OA相关的退化，ASCs-软骨细胞共培养后可维持聚集蛋白聚糖和Sox9的表达，ColⅡB表达降低，透明质酸和蛋白聚糖连接蛋白1表达增加；而肥大软骨细胞标记物基质金属蛋白酶（matrix metalloprotein，MMP）-13、碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）和Runx2的表达水平显著降低，ColⅩ趋于减少，证实ASCs在保护软骨细胞免于凋亡及成熟软骨细胞表型丧失方面具有强有力的作用。

1.5 诱导性多功能干细胞（induced pluripotent stem cells derived-mesenchymal stem cell，iMSC）来源外泌体

Zhu等[25]对iMSC分泌的外泌体（iMSC-Exos）和SMSCs分泌的外泌体（SMSC-Exos）治疗小鼠OA的效果进行比较，发现二者对软骨细胞的迁移和增殖均有促进作用，但前者更能显著增强小鼠软骨细胞的运动能力和增殖能力，治疗效果更佳。由于iMSC可从患者体内获得，不涉及伦理问题，因此iMSC-Exos作为治疗OA的潜在方法具有广阔的应用前景。

2 成骨细胞来源外泌体与OA

成骨细胞是骨形成的关键细胞，其分泌的外泌体通过真核起始因子2（eukaryotic initiation factor，EIF2）信号通路完成调控成骨的功能。其机制为，外泌体通过激活内质网令EIF2α磷酸化来上调转录因子4mRNA的翻译水平，促进成骨细胞分化及骨形成增加[26]，而新形成的成骨细胞再次分泌外泌体激活通路，形成正反馈循环机制。其中EIF2α的磷酸化水平可用于评估骨疾病的严重程度。

runt相关转录因子2（Runx2）是BMSCs向成骨细胞分化的特异性转录调节因子[27]。Cui等[28]将矿化的前成骨细胞产生的外泌体与骨髓基质细胞共同培养，结果发现骨髓基质细胞表面出现成骨标志；而Runx2和ALP表达上调，基质的矿化程度增加，也提示成骨细胞来源外泌体能促进BMSCs分化为成骨细胞[29]。也就是说，可以通过抑制Runx2的降解来达到促进成骨的目的，这为OA治疗提供了新的途径。

Deng等[30]的实验结果亦表明，成骨细胞产生的外泌体中含有RANKL蛋白，其通过与破骨细胞前体细胞表面上的RANK靶向结合，激活细胞内的RANKL-RANK通路，诱导破骨细胞的形成，增强骨的吸收活性。

Priam等[31]从经特殊处理的压缩成骨细胞分泌的外泌体中提取出14-3-3蛋白来刺激软骨细胞，导致软骨细胞中Ⅱ型胶原蛋白和聚集蛋白聚糖的mRNA水平显著降低，进而引起软骨损伤；有研究者将OA患者软骨下骨的成骨细胞与软骨细胞共同培养，发现其分泌物能诱导软骨细胞表型转变并进一步分化[32]。由此可见，成骨细胞来源外泌体通过介导成骨细胞间的通讯交流来参与骨重建机制，在软骨细胞的破坏和分化中起到重要作用。

3 破骨细胞来源外泌体与OA

破骨细胞来源的外泌体miR-214-3p抑制了成骨细胞的形成。Sun等[33]发现，破骨细胞分泌含有miRNA的外泌体，其中包括骨重塑的关键调节剂miR-214，且能通过Runx和β-catenin等通路影响成骨细胞的分化。Li等[34]分别提取骨折和非骨折老年女性患者成骨细胞及破骨细胞外泌体的miRNA，同时建立小鼠模型并进行基因检测，结果表明，提高破骨细胞中miR-214-3p的表达水平可抑制骨形成，降低成骨细胞活性。破骨细胞前体分泌的外泌体还可刺激破骨细胞形成，而成熟的破骨细胞所产生的外泌体则通过与RANKL特异性结合形成通路，来抑制破骨细胞的生成[35-37]。对破骨细胞来源外泌体调节破骨细胞形成的机制进行深入研究，有望为OA患者提供一个新的治疗靶点。

4 软骨、软骨下骨细胞来源外泌体与OA

López-Ruiz等[38]的研究证实，OA患者膝关节软骨细胞提取出的外泌体能诱导髌下脂肪垫提取的MSCs分化为软骨细胞，随后软骨细胞进一步增殖和分化，形成循环。神经生长因子（nerve growth factor，NGF）受体在OA软骨中呈高水平表达[39]；而在IL-1β处理过的软骨细胞外泌体培养基中可检测到更高水平的NGF，这可能是软骨细胞对IL-1β促炎效应的细胞反应之一。

Leyh等[40]将OA软骨下骨细胞、BMSCs、BMSCs与OA软骨下骨细胞、BMSCs与正常软骨细胞分别进行培养，检测胶原蛋白基因COL1A1、COL2A1等的表达，结果发现，软骨下骨细胞分泌的外泌体能够抑制BMSCs分化成软骨细胞，同时抑制软骨细胞的增殖分化。

5 其他细胞来源外泌体与OA

众所周知，IL-1β在软骨降解和OA发病过程中起到重要作用[7,41]，滑膜成纤维细胞（synovial fibroblast，SFB）分泌的外泌体经IL-1β刺激后可进一步诱导软骨生长。Kato等[42]分别以未被IL-1β刺激和经IL-1β刺激的SFB外泌体与小鼠股骨头软骨细胞共培养，后者能分泌更多的外泌体，亦能诱导软骨细胞释放更多的蛋白多糖，并可在体外模型中引起类似OA的表现。

亦有研究表明，经树突状来源外泌体（DCex）作用后的MSCs其ALP活性升高，并表达成骨细胞标志物——Runx2转录因子，提示DCex能诱导MSCs分化成成骨细胞，修复已被破坏的骨质，对OA有一定的治疗效果[43]。

综上，外泌体既可缓解OA的病理变化，又能促进OA的发展，其作用取决于外泌体的来源以及其所处的微环境。

6 小结

国内外诸多研究表明，外泌体参与OA的多种生理及病理学过程，但其在OA发病进程中的作用机制目前尚不十分清楚。尽管外泌体广泛存在于人类体液中，在一定条件下能够促进软骨细胞和成骨细胞生成，但将其作为治疗手段，目前尚未进入临床研究；即使通过基因调控能够实现靶向治疗，但无论是生产和提纯，还是靶向输送问题，目前均无解决方案。然而随着研究的不断深入，相信外泌体研究作为一个新的方向，在OA治疗中将大有可为。