外泌体来源miRNAs对骨质疏松症的作用与机制的研究进展

余小超 张少雄 孙硕 岳乔宁 张锡光 滕兆伟

1.昆明医科大学第六附属医院，云南 玉溪 653100 2.云南省第一人民医院骨科，云南 昆明 650000

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种以骨量降低、骨脆性增加和骨组织微结构受损为特点的全身代谢性骨疾病[1]。OP发病率高、危害巨大，是世界各国面临的重大公共卫生健康问题[2]。骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)具有多项分化潜能，是成骨细胞与脂肪细胞形成的重要前体细胞[3]。多种内源性及外源性因素参与调控BMSCs谱系分化，在衰老、病理因素等刺激下，易导致成骨分化与成脂分化失平衡，最终加速OP的发生及进展[4]。

外泌体是一类天然存在的细胞外囊泡，直径30～150 nm，在其脂质双分子层结构内部包裹着丰富的“货物”，包括多种非编码RNA、信使RNA、脂质、蛋白质、转录因子及细胞因子等[5]。作为细胞间通讯的重要媒介，外泌体经旁分泌或体液运输等形式到达邻近及远距离BMSCs，经质膜融合形成多泡体并卸载其内部的有效成分进入靶细胞，调控BMSCs的增殖及多谱系分化[6]。在其携载的活性物质中，非编码RNA尤其是miRNA(microRNA，微小RNA)对于调控BMSCs成骨及成脂分化发挥重要功能[7]。本文从调控BMSCs成骨及成脂分化的角度，对外泌体源miRNA在OP中的作用与机制进行综述，为研究、诊断及治疗OP提供新的思路。

1 外泌体来源miRNAs参与调控BMSCs成骨分化及成脂分化

miRNA的长度为19～25个核苷酸，是一种小的内源性单链非编码RNA，参与机体内多种生理和病理过程[8]。作为外泌体携载的重要成分，miRNA往往通过与mRNA的3-UTR(即3-非翻译区)或ORF(开放阅读框)结合，通过介导mRNA降解或转录后基因沉默，诱导BMSCs向成骨细胞或脂肪细胞分化[9]。

1.1 外泌体来源miRNA调控BMSCs成骨分化

外泌体来源的miRNA能够稳定地从骨微环境转移到BMSCs内，通过靶向成骨相关基因，调控BMSCs成骨分化[10]。成骨分化转录因子如Runx2、Osterix、AP-1、ATF4等参与调节成骨细胞骨基质的形成，在BMSCs成骨分化的调控、成骨细胞的维持及增殖中发挥重要作用[11]。

多种外泌体来源miRNAs被证明促进骨生成，延缓OP的进展。BMSCs衍生外泌体中过表达的miR-150-3p能显著上调Runx2、Osterix的表达[12]。Li等[13]发现经中药淫羊藿预处理的OP模型大鼠，其BMSCs衍生的外泌体富含miR-27a-5p，经实验验证，miR-27a-5p通过靶向结合Atg4B的3-UTR，负向调控自噬相关转录因子Agt4B，在抑制细胞自噬的同时刺激矿物结节的形成及Runx2、BMP-2等成骨基因的表达。富集于小鼠BMSCs来源外泌体的miR-935能够通过负向调控转录因子STAT1，进而促进成骨细胞增殖及分化[14]。Chen等[15]构建出的过程化外泌体含有高表达量的miR-375，通过靶向抑制成骨分化负调节因子IGFBP3以增强骨再生，揭示出miR-375调控成骨的潜在机制，为外泌体作为基因递送载体转运治疗性 miRNAs 的应用提供研究基础。M1巨噬细胞衍生外泌体在炎症早期能够释放大量的miR-21a-5p，通过上调成骨相关因子的表达，诱导BMSCs向成骨细胞分化[16]。外泌体来源miRNAs同样可作为致病因素，加速OP的发生及进展。外泌体源miR-31a-5p通过靶向SATB2的3′UTR，下调成骨标志物的表达并阻碍骨生成[17]。外泌体来源miR-23a-5p、miR-424-5p也能够显著下调成骨转录因子Runx2的表达，促进OP的发生发展[18-19]。笔者将目前所有已报道的具有调控BMSCs成骨分化功能的外泌体源miRNA汇总于表1。

表1 具有调控BMSCs成骨分化功能的外泌体miRNAsTable 1 Exosomal miRNAs with the function of regulating osteogenic differentiation of BMSCs

续表1 具有调控BMSCs成骨分化功能的外泌体miRNAsContinued table 1 Exosomal miRNAs with the function of regulating osteogenic differentiation of BMSCs

1.2 外泌体来源miRNAs调控BMSCs成脂分化

转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ)和CCAAT增强子结合蛋白α(CCAAT/enhancer binding proteins，C/EBPα)在调控BMSCs成脂分化的各个阶段中都发挥重要功能，是脂肪生成的关键因素[50]。外泌体来源miRNAs通过影响上述转录因子的表达来调控BMSCs成脂分化。

Wei等[51]发现脂肪组织巨噬细胞外泌体源的miR-155可靶向PPARγ，抑制胰岛素信号转导及糖耐量并妨碍脂肪生成。大鼠脂肪组织外泌体来源miR-450a-5p靶向抑制成脂负性调控因子WISP2促进脂肪生成；在抑制miR-450a-5p后逆转了WISP2的下调，PPARγ2、aP2亦随之下降，表明外泌体源miR-450a-5p表达量的高低对BMSCs成脂分化产生相反效果[52]。值得注意的是，Zhang等[52]通过测序还发现该外泌体内富集了45种不同的miRNAs，共有14种差异表达miRNAs可能参与调控脂肪形成。其中一部分差异miRNAs调控BMSCs成脂分化的机制已有报道：miR-30a-5p、miR-30 d-5p可能直接靶向抑制Runx2促进成脂；miR-181a-5p可能通过抑制TGF-β促进脂肪细胞生成；miR-199a-3p经靶向作用抑制Smad1，促进成脂。而外泌体源miR-25-3p可能靶向抑制KLF4 /C/EBPα，下调PPARγ，抑制成脂分化。另外，miR-27b-3p、miR-224-5p等虽已报道可抑制成脂分化，但具体机制尚未阐明。另外，Zhou等[53]发现胎牛血清外泌体来源的miR-1246能被hBMSCs正常摄取且最终抑制BMSCs成脂分化，表明外泌体携载miRNAs可跨物种调控hBMSCs谱系分化。

1.3 外泌体来源miRNA同时调控BMSCs成骨及成脂分化

Wnt/β-catenin、TGF-β/BMPs信号通路是介导机体内骨/脂肪平衡的重要枢纽[54]。在成骨分化过程中，该通路下的骨形态发生蛋白和WNT通过多种机制抑制PPAR的反式激活，阻碍脂肪的生成[55]。

Duan等[49]发现脂肪细胞衍生的细胞外囊泡内高表达的miR-148a靶向抑制Wnt5a/Ror2通路，上调PPAR-γ，在促进脂肪生成的同时抑制成骨分化。相比于OP，非创伤性股骨头坏死(NONFH)也与BMSCs的成骨和脂肪形成的失平衡相关。Wu等[42]在检测NONFH患者坏死骨组织外泌体后发现富集的miR-100-5p，通过抑制BMPR2/Smad1/5/9信号通路，上调PPARγ，最终抑制hBMSCs成骨分化并促进脂肪生成，骨组织外泌体源miR-100-5p可能是诊治NONFH及OP的潜在生物标志物。Huang等[56]研究表明miR-22-3p能够靶向抑制组蛋白去乙酰化酶 6(HDAC6)，同时调控骨/脂肪的生成，可作为成骨-成脂分化平衡的关键调节剂。FTO的激活能够促进成脂分化并加速脂肪堆积[57]，Zhang等[26]随后发现外泌体中富集的miR-22-3p通过下调FTO，促进BMSCs成骨分化并抑制脂肪生成。上述研究表明miR-22-3p可通过不同机制调节骨-脂肪平衡。另外，外泌体源miR-151-5p 能够重建 BMSCs功能和骨髓稳态，通过抑制IL4Rα/mTOR通路增强骨形成的同时阻碍成脂分化[58]。

2 小结和展望

OP患者表现为骨量减少，骨髓脂肪积累，其发生进展与BMSCs分化谱系的失调密切关联[59]。miRNA广泛参与调控BMSCs成骨及成脂分化，如miRNA-146a、miRNA-188等都是与衰老相关的骨与脂肪转换的关键调节因子，被视为诊治OP的潜在生物标志物[60-61]。

外泌体天然存在于各类动植物中，能够稳定携载并运输多种活性成分，具备靶向性、特异性，既能发挥干细胞相似的旁分泌功能，又可避免干细胞移植引起的免疫反应[10]。作为细胞间通讯的重要媒介，外泌体将内部miRNAs运送至BMSCs内，通过上调/下调成骨分化基因(Runx2、Osterix等)、成脂分化基因(PPARγ、C/EBPα等)的表达，激活/抑制Wnt/β-catenin或TGF-β/BMPs等信号通路来调节骨/脂肪的形成[62]。

基于上述优势，制备携载治疗性miRNAs的工程化外泌体能够更及时有效的预防、诊断及治疗OP，但现阶段要实现临床转化仍存在着巨大挑战。首先，仍需不断探索更多外泌体源的miRNAs在OP中的功能及具体机制，为工程化制备治疗性外泌体提供研究基础；其次，对于外泌体源miRNAs治疗OP的有效性及安全性仍需进一步验证；第三，胎牛血清外泌体携载的miRNA可调控hBMSCs的成脂分化，但跨物种调控领域仍需深入探索。相信随着人类对外泌体的认识不断深入，工程化外泌体的临床应用或将成为对抗OP的利器。