外泌体治疗骨关节炎作用机制的研究进展

陆文忠1，杨现莉，韦喜

(1. 广西百色市人民医院，右江民族医学院附属西南医院骨科，广西 百色 533000； 2. 右江民族医学院临床医学院，广西 百色 533000)

骨关节炎(osteoarthritis，OA)是由诸多因素引起的关节软骨退化、滑膜炎症、骨重塑和软骨下骨反应性增生的一种退行性病变，以关节疼痛、僵硬、肿胀、活动受限和畸形为常见临床表现[1]。随着人口老龄化及肥胖发生率的增加，罹患OA的患者与日俱增[2]。然而目前临床上对于OA的主要治疗方法如理疗、消炎镇痛药物、软骨保护剂、透明质酸钠、重组人成纤维细胞生长因子等，这些保守的方法只能缓解症状、延缓病程进展，但不能逆转关节结构性病变[3]；关节镜治疗有诊断和治疗的作用，但主要适用于早期轻度OA患者；人工关节置换术是目前治疗严重关节病变的主要手段，但其技术要求高，治疗费用较大，且其术后关节炎的控制并不理想，对于大多数患者并不是首选的治疗方式[4]。因此，寻求新的治疗方案仍是目前该领域的一大研究热点。

近年来，随着细胞工程技术的发展，外泌体(exosomes)作为新型细胞通讯方式，通过胞间交流和信息传递，在细胞分化、侵袭、免疫调节及组织损伤修复等多种病理生理过程中发挥重要的作用[5]。近年来研究发现外泌体也具有治疗OA的作用[6]，但其作用机制尚不明确，因此深入探讨外泌体治疗OA的作用机制，对开发外泌体的临床应用具有重要意义。

1 外泌体的来源及生物学特性

外泌体是一种包含了复杂RNA和蛋白质的小膜泡，是一种直径30～150 nm的双层膜囊泡状结构小体，可由机体内几乎所有类型的细胞主动分泌产生，广泛分布于血液、尿液、恶性肿瘤、腹水等体液中。外泌体携带大量特异性的蛋白质(如细胞因子、生长因子)和miRNA[7]。因此，外泌体为研究潜在的各种生物标记物提供了很好的生物学材料。

外泌体是一种特异性分泌的膜泡，参与细胞间生物活性物质传输及信息传递，参与调控重要的细胞生理活动，其作用方式主要有：①受体-配体结合改变靶细胞生物传递通路；②传递蛋白质、miRNA 等物质；③与靶细胞膜融合，使其具有与母细胞相同的受体表型； ④作为载体转移重要生物学信息或细胞器。外泌体特殊的结构及性能使其在免疫应答、细胞凋亡、血管生成、炎症反应、组织损伤修复中发挥重要作用。

2 外泌体与OA的关系

OA是临床多发骨关节疾病，以中老年人为主，严重影响着患者的生活质量，是医学界重点关注疾病之一。其具体病因尚不清楚，多与遗传、炎症、创伤、年龄及肥胖等有关，其发生机制与细胞因子、基因表达、免疫调节及金属蛋白酶等紧密相关[8]。而外泌体主要是通过这些因素促进或者抑制OA的发生与发展[9-10]。

Kato T等[9]研究发现具有OA病变的关节内滑膜成纤维细胞分泌的外泌体可诱导关节软骨细胞基因表达，增加基质金属蛋白酶、IL-6和VEGF，促进血管生成而参与OA的发病过程。而Wang Y[11]研究发现关节腔外细胞来源的外泌体可以缓解OA的病理变化，可用于OA 的治疗，其将间充质干细胞来源的外泌体(MSCs-Exo)对OA小鼠进行关节腔内注射，有效抑制小鼠软骨病变和细胞外基质降解，延缓OA进展。外泌体的双向作用主要原因可能是由于不同来源的外泌体内含有不同的蛋白质、mRNA、 miRNA等生物学活性的物质[12]。外泌体对机体的影响有利有弊，对其优点充分利用，将能更好促进健康，造福人类。近年来，根据外泌体的生物学特性以及其在OA诊疗中的潜能，人们对其在疾病的作用方面做了大量研究工作，证明了外泌体可以减少OA的发病率，延缓疾病进展，对其治疗OA的作用机制的研究也取得了一定的进展[13-14]。

3 外泌体治疗OA的作用机制

关节软骨破坏是OA的主要病理改变，其主要机制是关节内环境紊乱，导致细胞凋亡，软骨细胞外基质减少，而关节内环境的稳态主要依靠影响细胞因子及基因表达、免疫调节等多方面平衡来维持。研究已证实间质干细胞来源的外泌体可减轻了OA软骨破坏和胞外基质降解，促进软骨修复[6，11]。目前外泌体治疗OA的相关机制目前尚不清楚，目前认为其可通过上述因素调节关节内环境平衡，抑制软骨细胞凋亡及细胞外基质降解，从而缓解OA的病变。

3.1 调节细胞因子代谢 软骨细胞因子参与骨代谢，代谢失衡时可促进OA发生与发展。在正常情况下，关节软骨基质的分解代谢和合成代谢平衡是通过分解性细胞因子和合成性细胞因子的平衡来维持的。生长代谢因子如转化生长因子-β(TGF-β)、胰岛素样生长因子1(IGF1)等可刺激胶原、蛋白聚糖合成，并可产生特异性金属蛋白酶组织抑制剂。分解性细胞因子如白细胞介素-1(IL-1)、 IL-6、 IL-18、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等可刺激生成基质金属蛋白酶(MMP)，诱导基质降解，分解代谢因子主要与炎症相关，后文将详细重点阐述。

在OA患者滑膜中，合成性细胞因子表达均明显下降，而分解性细胞因子表达明显升高[15]。其中关系最为密切的TGF-β及IGF1是一种促进组织修复的保护性因子，可刺激细胞增殖和Ⅱ型胶原的形成，对软骨细胞生长及细胞外基质合成具有重要的调节作用。上调这些合成因子的表达可有效地促进骨关节修复。骨髓间充质干细胞来源外泌体能激活相关信号通路，诱导IGF1、成纤维细胞生长因子(FGF)等多种生长因子表达上调，促进细胞外基质产生[16]； Kim YJ等[17]研究发现间充质干细胞来源的外泌体能通过调节生长因子及相关基因表达，促进胶原蛋白合成，促进软骨细胞增殖分化；除此外可以诱导成熟关节软骨细胞标志物(Ⅱ型胶原和凝集素)的表达，同时减少分解代谢因子(MMP-13，ADAMTS5)和炎症标志物(iNOS)的表达，缓解OA的临床症状及疾病进展[18]。这些研究表明外泌体可调节细胞因子的代谢，这可能是外泌体治疗OA的作用机制之一。

3.2 抗炎症反应 在OA的进展过程中，慢性炎症导致软骨变性。软骨组织的病理学变化能够刺激炎性因子的分泌，而炎症因子又能够通过众多信号通路加剧软骨组织的破坏，形成恶性循环。这些细胞因子的作用并非单一作用，而是存在于一个复杂的调节网络之中。

3.3 调节免疫 骨关节组织具有独特的解剖结构，一直以来被认为其能够逃避自身的免疫反应。但近些年的研究[21]证实免疫学机制也参与了 OA 的病理生理过程，关节软骨不仅能够诱导潜在的自身免疫反应，还可使自身免疫反应放大化。研究[22]发现OA模型中T 淋巴细胞可以激活CD25、CD38、CD43、CD45、 CD69和组织相容性白细胞抗原(HLA)进而产生免疫反应，促进软骨细胞的破坏。因此，抑制T淋巴细胞的活性可作为OA治疗的一个靶点。树突状细胞来源的外泌体能够直接或间接地修改内源性APCs和T细胞的功能，抑制或降低迟发型超敏反应，减轻炎症，抑制小鼠OA病情进展[23]。间充质干细胞来源的外泌体能够抑制CD4+和CD8+T淋巴细胞和B淋巴细胞的体外激活，注射其来源的外泌体可以减轻OA的临床表现[24-25]。除此之外，其他细胞来源的外泌体也有免疫调节和免疫耐受功能，尤其是外周血浆或血清中获得的外泌体已被证实能够调节免疫反应，可运用于OA的治疗[26-27]。

3.5 影响 miRNA表达及载体作用 微小RNA(microRNA)是机体内非编码RNA，是基因表达的关键转录后抑制因子。在细胞增殖分化及细胞凋亡中发挥重要作用。microRNA 与其靶基因转录的 mRNA 特异性结合，沉默表达的靶基因，或形成多个信号的相互作用网络[32]。外泌体主要通过调节microRNA表达参与OA修复。来自成骨细胞的外泌体可表达miR-503-3p，抑制破骨细胞生成[33]。羊膜和脐带、骨髓来源的外泌体可改变OA鼠关节液中的众多miRNA表达水平，尤其是一些参与炎症反应调节的关键 miRNA 及其靶向沉默的多个炎症因子(下调miR-221、miR-155、miR-181a，上调miR-199b、miR-218、miR-148a、miR-135b、miR-203、miR-219、miR-299-5p及miR-302b的表达)，促进成骨细胞分化和骨细胞外基质合成与分泌，对OA具有显著的治疗效果[34-36]。基因治疗 OA 具有非常良好的应用前景[37]。滑膜关节相对孤立封闭的解剖结构为小分子疗法提供相对独特的环境，可以限制所输送分子的全身扩散。miRNA通常在关节间隙内就会被降解，但是外泌体的递送可以通过保护这些小的miRNA不被破坏，从而改善miRNA的短期稳定性。通过向OA大鼠软骨细胞中转染miR-25 的模拟物发现，过表达miR-25 可抑制软骨细胞的凋亡[38]。Tao SC等[31]体外试验发现，转染miR-140-5p的外泌体可促进软骨细胞增殖和迁移，而在体内，体内试验发现其可通过增强SOX9和蛋白聚糖的表达，促进细胞外基质的合成，维持软骨内环境稳态，可缓解大鼠OA病情进展及改善预后。除了转运传递miRNA，转导一些编码软骨细胞生长的重要细胞因子或转导抗炎因子，促进软骨再生及减轻炎症反应，也是一种颇有应用前景的 OA 基因治疗方案[37]。此外，外泌体还可直接作为药物的天然载体，免疫细胞来源的外泌体能更好地避免免疫清除，延长外泌体在外周循环中的滞留时间，从而提高药物的疗效[39]。因此，外泌体未来有可能作为药物的天然载体用于OA临床治疗。

4 外泌体在OA治疗中的应用前景

不同来源的外泌体其对OA的作用并不相同，但无论是加重OA病变还是缓解OA进程，外泌体对OA未来研究的潜力巨大。在OA治疗方面，外泌体对于手术创伤、药物诱导等各种OA动物模型均有明显缓解作用。随着细胞生物分子技术工程的发展，外泌体制备与纯化技术的革新，外泌体发挥生物效应机制的深入研究，外泌体有望成为OA临床治疗的新策略。