不同来源间充质干细胞的细胞外囊泡对 骨关节炎的影响

马国榕 郭洪章 李鹏飞 李海鹰

骨关节炎（OA）是最常见的慢性退行性骨关节疾病，其发病机制尚不明确，病理过程多为长期、慢性、渐进的过程，病理改变涉及软骨、骨骼、滑膜、韧带、肌肉和关节周围脂肪等多部位[1]。OA患者的临床表现包括明显的疼痛、功能丧失和生活质量下降[2]，是老年人致残的主要原因。近期研究发现，机械、炎症和代谢因素所介导的骨损伤-修复平衡紊乱可能在OA病理过程中发挥重要作 用[3]。而骨损伤和修复与间充质干细胞（MSC）及其细胞外囊泡密切相关。

1 MSC及其细胞外囊泡

根据人体组织来源不同，MSC可分为脂肪间充质干细胞（ADMSC）、滑膜间充质干细胞（SMSC）、脐带间充质干细胞（UCMSC）、骨髓间充质干细胞（BMSC）、胚胎间充质干细胞等[4]。MSC主要功能包括免疫调节、自分泌、旁分泌及规避免疫排斥反应等[5]，MSC的细胞外囊泡则在发挥这些功能时充当重要角色。细胞外囊泡含有生长因子、细胞因子、脂质、蛋白质、DNA和各种形式的RNA[6]。细胞外囊泡通过转运上述物质在细胞外基质降解、细胞间通讯、炎症调节、血管生成和抗原递呈等过程中发挥作用[7]。作为一种细胞间通信途径，细胞外囊泡具有稳定性高、生物相容性好、免疫原性低、毒性低、生物屏障性好和有内在细胞靶向特性等优点，因而备受关注[8]。细胞外囊泡通过实现细胞间的信号传导，可达到促进组织再生目的，从而成为良好的OA细胞替代疗法。细胞外囊泡既能以天然形式应用，也可以作为治疗药物的载体应用[9]。值得注意的是，组织或器官来源不同的MSC细胞外囊泡治疗效果也不同[10]。因此，有必要进一步比较分析不同来源MSC的细胞外囊泡，以便指导其在OA治疗中的临床应用。

2 不同来源的MSC细胞外囊泡与OA

2.1 ADMSC

与骨髓衍生的MSC相比，ADMSC特性相似，但更容易获得[11]。在临床应用前，ADMSC的细胞外囊泡可以在培养物中长期扩增[12]。Li等[13]研究表明，ADMSC的细胞外囊泡生物活性高于SMSC的细胞外囊泡，且其产量、基质合成能力以及体内外促软骨生成和成骨能力均明显高于BMSC 和SMSC的细胞外囊泡，其可以直接以完整形式进入软骨细胞中，介导分解代谢与合成代谢之间的平衡，促进人软骨细胞增殖和迁移，延缓软骨退化，使受损软骨得到恢复。

ADMSC的细胞外囊泡可增强人OA软骨细胞中Ⅱ型胶原（ColⅡ）蛋白mRNA表达，具有促进软骨再生作用。ADMSC的细胞外囊泡可促进巨噬细胞促炎表型M1向巨噬细胞抗炎表型M2极化，从而抑制白细胞介素（IL）-6和前列腺素E等巨噬细胞促炎细胞因子产生[14]，同时促进抗炎因子IL-10产生[15]，延缓OA进 程。ADMSC的 细胞外囊泡也可通过抑制基质金属蛋白酶（MMP）-1、MMP-3、MMP-13和含Ⅰ型血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶（ADAMTS）-5表达来延缓OA中细胞外基质降解，从而减缓OA软骨破坏进展[16]。

2.2 SMSC

SMSC具有增殖能力强、老化缓慢等优点，可以在10多代后仍保持其独特的细胞形态和分化潜力，且其分化能力与供体年龄无关[17-19]。由于滑膜和软骨均起源于滑膜关节发育期间的同一个细胞池，因此SMSC在发育上与软骨细胞的关系较其他MSC更密切，且比BMSC 更容易促进软骨形成，特别适合软骨修复[20-22]。韩俊柱等[23]研究发现，SMSC不仅增殖速度高于ADMSC和BMSC，而且在成软骨诱导下其Col Ⅱ的表达水平也高于ADMSC和BMSC，说明SMSC在这3种MSC中成软骨潜能最强。Kubosch等[24]研究发现，SMSC的软骨形成标志物Col Ⅱ和聚集蛋白聚糖（ACAN）表达水平也高于BMSC。

SMSC的细胞外囊泡可以有效促进软骨细胞增殖、迁移并抑制OA软骨细胞凋亡，其功能可在脂多糖预处理条件下得到优化。研究发现，经脂多糖预处理的SMSC细胞外囊泡在促进软骨细胞增殖和迁移以及抑制细胞凋亡方面优于未经处理的SMSC细胞外囊泡[25]。经脂多糖预处理的SMSC细胞外囊泡还可促进巨噬细胞向M2型转化，从而抑制炎症反应[26]。

2.3 UCMSC

UCMSC是最年轻、最原始的MSC[27]，具有免疫抑制能力和较低的免疫原性。与ADMSC和BMSC相比，其增殖率更高[28]，自我更新更快，并可通过非侵入性分离获得[29]。由于UCMSC来源充足、纯度高并具有多系分化潜力和抗炎能力，其更适用于在缺血和营养贫乏的环境中产生类似于软骨的细胞外基质[27,30]。

人UCMSC的细胞外囊泡在组织修复和再生方面具有重要作用，它不但能够刺激软骨细胞增殖、迁移，而且可以通过增强骨形成、减少骨髓脂肪堆积和减少骨吸收来防止骨质流失[31]。人UCMSC的细胞外囊泡可上调ColⅡ、Sox9、ACAN等软骨特异性标记物，有效维持软骨细胞的基质合成能力和表型稳定[32]，并通过靶向调节蛋白激酶B（Akt）信号转导通路促进骨细胞增殖和抑制骨细胞凋亡[33]。同时，人UCMSC的细胞外囊泡既可以促进抗炎相关细胞因子表达，使CD206和IL-10等巨噬细胞抗炎表型M2标志物表达量增加[34]，又可以抑制炎症因子表达，降低ADAMTS-5和MMP-13表达，从而调节软骨细胞功能[32]。

2.4 BMSC

BMSC是一种非造血间充质干细胞，能够分化为间充质组织。BMSC的数量、增殖速度和分化能力均与供体年龄呈负相关[35]。BMSC可改善和维持关节内环境，以促进软骨修复和再生。与UCMSC、胎盘间充质干细胞（PMSC）相比，BMSC软骨分化潜能更大；与PMSC相比，BMSC自我更新能力更强[36]。研究证实，BMSC体内外分化为成骨细胞的潜力和ColⅡ蛋白表达水平均较ADMSC更高[37-38]。

BMSC的细胞外囊泡可诱导ACAN和ColⅡ产生并促进其增加，产生细胞外基质，恢复人软骨修复能力。BMSC的细胞外囊泡也可在体外调节成骨分化，并在体内促进骨再生[39]。BMSC的细胞外囊泡还可以抑制炎症介质对软骨稳态破坏，消除肿瘤坏死因子（TNF）-α介导的环氧化酶（COX）2 上调，降低促炎IL表达。同时，BMSC的细胞外囊泡通过抑制OA软骨细胞中TNF-α诱导的促炎性核因子（NF）-κB信号传导，介导肥大相关基因表达下调，这表明BMSC的细胞外囊泡不仅能促进软骨形成，还能抑制软骨细胞的肥大分化[40]。

3 结语

MSC的细胞外囊泡具有促进软骨再生和延缓软骨老化的能力，可在OA治疗中发挥作用，因而广受关注。使用MSC的细胞外囊泡能够跨越生物屏障[9]，直接进入靶细胞。现有研究结果可归纳如下：①UCMSC是最年轻、最原始的MSC[27]；②SMSC和UCMSC增殖率均较ADMSC和BMSC更高[23,28]，而ADMSC增殖率又高于BMSC[23]；③在体外二维培养条件下，ADMSC增殖率高于SMSC[41]；④BMSC分化能力与供体年龄呈负相关[35]，而SMSC分化能力与供体年龄无关[19]；⑤在软骨生成过程中ColⅡ的表达水平方面，SMSC优于BMSC，而BMSC又优于ADMSC，说明3种MSC中SMSC成软骨潜能最强[23]；⑥ADMSC的细胞外囊泡产量较BMSC、SMSC的细胞外囊泡明显更高，其基质合成能力、促进软骨生成和成骨分化能力更具明显优势[13]。由此可以看出，MSC增殖速度受不同培养条件影响，细胞外囊泡的促软骨生成和成骨分化能力受组织来源影响。

先前的研究表明，组织来源以及培养条件不同的细胞外囊泡具有不同的生物学效应，各具优势。尽管目前已明确不同来源MSC的细胞外囊泡对OA均具有治疗潜力，但仍有如下问题值得探究。①选择何种组织来源的细胞外囊泡治疗OA。②制定标准的细胞外囊泡制备方法、培养条件。现有的细胞外囊泡制备方法限制了其大规模生产，从而阻碍其临床应用[42]。长期传代的方法虽然有助于获得相当数量的细胞外囊泡，但可能导致MSC分化[43]。 ③明确细胞外囊泡的给药方式、药物剂量和给药频率。上述问题均有待进一步的动物实验研究及临床研究予以解决。通过实验选取最佳的细胞外囊泡用于治疗OA将成为新的研究方向，进一步研究不同来源MSC的细胞外囊泡对OA的治疗作用意义重大。