外泌体应用于激素性股骨头坏死诊疗的相关性研究进展

王泽，金盛阳，王洪

（华中科技大学同济医学院附属协和医院 骨科，湖北 武汉 430022）

0 引言

股骨头坏死（Osteonecrosis of the Femoral Head,ONFH）是骨科领域中常见的疾病。大剂量激素的应用是股骨头坏死的常见诱因。激素性股骨头坏 死（Steroid-induced Avascular Necrosis of the Femoral Head,SANFH）是指应用大剂量糖皮质激素后，进行性的股骨头活性成分死亡导致股骨头结构改变，最终导致股骨头塌陷[1]。近年来，对SANFH 的研究在多方面有了进展，但其坏死机制仍不明确。对其进行更深层次的研究，为SANFH 的诊疗提供更为精准的策略，是学者不断追求的目标。研究表明，外泌体是细胞分泌的纳米级（30～100nm）细胞外囊泡，其包含多种生物活性分子，如蛋白质、脂质和各种核酸，在细胞间的物质运输和信号传导中起着重要的作用[2]。外泌体是稳定的囊泡结构，可以保护内部的核酸免受降解，是一种潜在的生物标记物[3]。本文就不同来源的外泌体在SANFH 诊断和治疗方面的研究进展做一综述。

细胞通过质膜出芽形成细胞外囊泡，所有的细胞都可以分泌细胞外囊泡。外泌体是细胞外囊泡的一个亚型，囊泡直径为30～100nm。外泌体富含蛋白质、脂质、核酸等多种生物活性成分，在正常细胞和病理细胞间可发挥通讯作用。Takeuchi 等发现骨髓间充质干细胞分泌的外泌体可以通过促进血管生成促进骨再生[4]。为外泌体运用到SANFH 的诊疗奠定了基础。

1 不同来源外泌体在SANFH 防治的应用

1.1 间充质干细胞（Mesenchymal Stromal Cells,MSCs）来源的外泌体

MSCs 是一种能够用于促进再生和组织修复的多能干细胞，还可以分泌多种细胞因子及生长因子，分泌的颗粒统称为细胞外囊泡，在再生医学领域受到学者的广泛关注。当机体组织损伤后，MSCs 通过趋化作用到达损伤区域，自身分化并可分泌多种生物活性成分来修复受损的组织，越来越多研究表明，MSCs 通过旁分泌作用发挥其治疗功能[5]。MSCs 体外扩增简单，收集外泌体较容易，各种MSCs 来源的外泌体在再生和组织修复方面有着良好的前景。表1为几种不同来源的外泌体在SANFH 研究中的比较。

表1 不同来源的外泌体在SANFH 研究中的比较

1.1.1 骨髓间充质干细胞BMSCs 来源外泌体（Exosomes Derived from BMSCs,BMSC-Exos）

骨髓间充质干细胞（BMSCs）是细胞疗法和组织工程中最常用的干细胞。其取材方便，体外扩增能力强，成骨分化能力强，是治疗SANFH 的优良干细胞。

BMSC-Exos 中携带miRNA、蛋白质、脂质等多种生物活性成分，Li 等发现正常大鼠BMSC-Exos 可以显著促进BMSC 增殖、成骨分化及成骨基因的表达，促进了HUVECs 血管生成能力[6]。Li 等发现BMSCs经过外源性基因修饰后，获得富含HIF-1a 的BMSCExos 可以促进BMSCs 的成骨分化和HUVECs 的增殖、迁移和成管作用，并且在兔SANFH 模型中，可见股骨头骨小梁重建和微血管密度增加，明显加速骨再生和血管生成[7]。Fang 等发现负载tsRNA-10277 的BMSC-Exos 可以降低激素诱导的BMSCs 的脂肪形成并增强其成骨作用[8]。

因此，BMSC-Exos 的成骨能力显著，可促进BMSC增殖、成骨分化，加速骨再生及血管生成，在SANFH的治疗上具有广阔的应用前景，但其调控SANFH 发生发展的具体机制仍有待进一步研究。

1.1.2 滑膜间充质干细胞来源外泌体（Exosomes Derived from SMSCs,SMSC-Exos）

SMSCs 来源于关节滑膜组织，与BMSCs 相比，其具有更优秀的软骨分化潜能，SMSCs 移植在软骨缺损治疗上具有显著的效果。

Guo 等发现SMSC-Exos 可以进入激素诱导的BMSCs 中，增强其增殖和抗凋亡能力，将SMSC-Exos通过尾静脉注射入大鼠SANFH 模型体内，可以观察到SMSC-Exos 可以减少激素诱导的股骨头骨小梁丢失、骨髓坏死和脂肪细胞聚集[9]。

目前临床上因为各种关节损伤行关节镜手术的病人数量较多，SMSCs 来源充足，体外扩增效果明显，提取收集SMSC-Exos便利，具有良好的临床应用前景。但关于SMSC-Exos 用于SANFH 诊疗方面的研究较少，其疗效及机制仍有待进一步探索。

1.1.3 人脐带间充质干细胞（hucMSCs）来源外泌体（Exosomes Derived from hucMSCs hucMSC-Exos）

人脐带间充质干细胞（hucMSCs）取材方便，较其他间充质干细胞伦理问题少，具有更低的免疫原性。Li 等发现hucMSC-EXOs 可以促进骨组织中VEGF和BMP-2 的表达，减少骨组织凋亡，升高骨小梁重建水平，增多坏死骨组织新生血管[10]。Kuang 等发现hucMSC-EXOs 可通过miR-21-PTEN-AKT 信号通路促进小鼠骨样细胞的增殖，抑制地塞米松的凋亡效应，将hucMSC-EXOs 通过肌肉注射入大鼠SANFH模型体内，观察到股骨头骨细胞凋亡减少[11]。这些研究表明hucMSC-EXOs 可能通过促进成骨细胞分化，抑制骨细胞的凋亡来治疗SANFH。

1.2 富血小板血浆（Platelet-rich Plasma PRP）来源外泌体（Exosomes Derived from PRP,PRP-Exos）

PRP 由于生物相容性和安全性良好，已经大量应用于组织工程和再生医学中。PRP 的再生作用多归因于血小板分泌的大量生长因子，而这些生长因子可以封装在外泌体中，由外泌体进行运输。Liu 等发现PRP-Exos 可以通过Wnt/β-catenin 信号通路促进软骨细胞的增殖和迁移，抑制IL-1β 的凋亡作用，在兔骨关节炎模型中将PRP-Exos 注射入膝关节，可以促进软骨修复，抑制骨关节炎的发生[12]。Tao 等发现PRP-Exos 可以改善成骨细胞、BMSCs、人微血管内皮细胞的增殖能力及抑制激素的凋亡效应，阻止激素对成骨细胞、BMSCs 成骨分化能力的抑制，增强激素诱导下人微血管内皮细胞成管能力；在大鼠SANFH 模型中，静脉注射PRP-Exos 后发现其可以抑制激素的凋亡作用，防止股骨头骨量流失及促进血管新生[13]。

PRP 的治疗效果已得到部分证实，然而PRP 中外泌体含量有限，提取PRP 需要采集大量的全血，可能限制PRP-Exos 在临床工作中的大规模应用[14-15]。

2 不同来源外泌体在SANFH 诊断中的应用

激素诱导的股骨头坏死是一类潜在的疾病，可能在使用激素数年后发病，且在发病早期，通常无症状。如何在临床症状变得明显前发现股骨头坏死是治疗的关键一步。虽然核磁共振成像（MRI）可以作为早期SANFH 确诊依据，但其时间和经济成本给患者和医疗系统带来较大的负担。发现一种更为安全有效、省时、准确的检查迫在眉睫。越来越多研究表明，外泌体可以稳定存在于多种体液中，如血液、尿液、唾液，并且由于外泌体中缺乏核糖核酸（RNase）酶，可以有效保护miRNAs，外泌体特异性miRNAs 是多种疾病的新生标志物。冯林等在比较了激素性股骨头坏死患者（39例）、创伤性股骨头坏死患者（31例）、无股骨头坏死患者（22例）BMSC 中miR-146a-5p 含量后发现，后者较前两者miR-146a-5p 含量明显升高[16]。Zhu 等在比较了85例SANFH 患者和115例健康献血者的血清样本后发现，SANFH 患者血清外泌体含量显著低于健康献血者[17]。Zhang 等在比较了健康受试者、系统性红斑狼疮（SLE）患者、SLE 合并SANFH 患者血清外泌体MiRNAs 后，发现hsa-miR-135b-5p 在SANFH 患者血清外泌体中显著升高[18]。SANFH 患者与健康人群体内外泌体的数量及生物活性成分存在一定的差异，这些差异可以作为诊断SANFH的检测指标。

3 小结

外泌体作为一种细胞分泌的细胞外囊泡，其几乎可以稳定存在于所有的体液中，且富含脂质、蛋白质和核酸，可以作为疾病检测和诊断的指标，能够传递生物活性成分，甚至可作为药物载体进行靶向治疗。外泌体是如今研究的热点，在多种疾病的诊断及治疗中已经对其有了一定的研究成果。虽然国内外研究结果显示不同细胞分泌的外泌体可以对SANFH 有一定的治疗作用。但外泌体在治疗过程中具体的作用机制尚未阐明，仍需要进一步研究其活性成分及生物学特性。在SANFH 发展过程中，外泌体中蛋白质和miRNAs 含量发生了变化。基于这些变化，外泌体可以作为诊断SANFH 的生物标志物。目前研究关于SANFH 诊断的相关外泌体指标检测例数过少，需要进行更多的研究来确定外泌体中含量发生变化的特异性miRNA 和蛋白质种类。此外，随着外泌体提取提纯技术的发展，其在SANFH 研究中存在巨大潜力，可能在SANFH 防治、诊断和靶向用药方面具有重大意义，有望降低SANFH 的发病率、提高早期SANFH 确诊率及治愈率，并推动外泌体的研究及临床应用。