间充质干细胞来源外泌体修复膝骨关节炎软骨损伤作用机制的研究进展

伏玉龙,郭珈宜,李峰,张亦可,曹坤燕

(1.河南中医药大学研究生院,河南 郑州 450046;2.河南省洛阳正骨医院/河南省骨科医院,河南 洛阳 471002)

膝骨关节炎(knee osteoarthritis,KOA)以膝关节软骨退变和软骨下骨骨质增生为主要病理特征,以膝关节疼痛、肿胀、活动受限为主要临床表现,严重影响患者的生活质量,具有较高的致残率[1-2]。软骨组织退变是KOA最典型的病理特征,与软骨细胞凋亡、细胞外基质(extracellular matrixc,ECM)降解关系密切[3-4]。目前临床上采用非手术疗法治疗KOA,均不能遏制或逆转KOA进程;晚期KOA患者可通过人工膝关节置换治疗,但人工膝关节置换存在治疗费用高、并发症多等问题[5]。随着对间充质干细胞(mesenchymal stem cell,MSC)研究的不断深入,发现MSC在修复软骨损伤方面具有独特的优势,关节腔注射MSC有望成为治疗KOA的重要疗法[6]。而外泌体(exosome,EXO)是MSC修复软骨损伤的主要有效成分[7-8],且具有易于收集和储存、稳定性好、靶向性强及免疫排斥性低等优点,在组织修复领域具有极大的应用潜能[9]。本文对MSC来源的EXO(MSC-EXO)进行了概述,并对MSC-EXO修复KOA软骨损伤作用机制的研究进展进行了综述。

1 MSC-EXO概述

EXO是细胞分泌的直径40～150 nm的多囊泡体,可稳定存在于多种体液、分泌液及细胞培养基中,在旁分泌中发挥重要作用[10]。MSC-EXO内含有核酸(mRNA、miRNA等)、蛋白质、脂质等物质,具有MSC的部分生理功能,如促进软骨再生[11-12]。MSC-EXO可从骨髓、脂肪、脐带等组织中获得[13]。不同来源MSC-EXO的组成成分存在差异,但包括凋亡相关基因2相互作用蛋白X、肿瘤易感基因101及CD9、CD63或CD81等跨膜蛋白在MSC-EXO中较为保守,常被作为MSC-EXO的标记蛋白[14]。

2 MSC-EXO修复KOA软骨损伤的作用机制

2.1 抑制软骨ECM降解软骨由软骨细胞和ECM构成。软骨细胞是软骨中唯一的细胞类型,在维持软骨形态和功能方面发挥重要作用。随着年龄增长,机体功能下降及其他多种因素导致软骨细胞维持其ECM稳定的能力下降,ECM合成与降解之间的平衡失调,导致潮线向软骨层推移,软骨组织逐渐退变[15]。因此,维持ECM的稳定对于延缓KOA进展具有重要作用。Wang等[16]采用膝关节腔注射胚胎MSC-EXO干预KOA模型小鼠,结果显示小鼠关节软骨组织中Ⅱ型胶原的蛋白表达量升高,而聚蛋白多糖酶的蛋白表达量下降,认为胚胎MSC-EXO能够抑制软骨ECM的降解,增强软骨的稳定性。基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)是ECM降解的重要蛋白酶之一,在软骨损伤进程中起关键作用[17]。Rilla等[9]研究发现,MSC-EXO能够降低MMP-13的活性,进而抑制软骨ECM的降解。He等[18]研究发现,在KOA模型大鼠膝关节腔内注射的骨髓MSC-EXO能够被软骨细胞内吞,进而提高软骨组织中Ⅱ型胶原和蛋白聚糖的含量,降低MMP-13和聚蛋白多糖酶的表达量,提示骨髓MSC-EXO能够有效促进软骨细胞外基质的合成,修复软骨损伤。

2.2 调控软骨细胞增殖与凋亡在健康人体软骨组织中,软骨细胞的增殖和凋亡处于动态平衡之中,如果细胞凋亡速度过快,二者间的平衡被打破,则会导致软骨组织退变。KOA患者软骨细胞增殖能力降低、细胞凋亡水平增加,导致膝关节软骨组织退变[19]。因此,抑制软骨细胞凋亡、促进软骨细胞增殖对防治KOA软骨组织退变具有重要意义。Zhou等[20]研究发现,在KOA小鼠中注射骨髓MSC-EXO可减轻KOA症状,进一步机制分析结果表明,骨髓MSC-EXO能够通过骨形态发生蛋白4信号通路促进软骨细胞的增殖,进而延缓KOA的进展。Yan等[21-22]研究发现,脐带MSC-EXO的lncRNA H19可作为miR-29b-3p的竞争性内源海绵,干扰miR-29b-3p对叉头框蛋白O3(forkhead box O3,FoxO3)信号通路的靶向抑制作用,而FoxO3在促进软骨细胞迁移、分泌基质及抑制软骨细胞凋亡与衰老进程中发挥重要作用。因此,脐带MSC-EXO中的lncRNAH19在促进软骨细胞增殖和抑制软骨细胞凋亡中发挥重要作用。相关研究发现,MSC-EXO能够通过蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)、细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)、Wnt等信号通路调控细胞的增殖与凋亡[23-24]。Kuang等[25]研究发现,脐带MSC-EXO通过Akt信号通路抑制B淋巴细胞瘤-2基因相关启动子蛋白、半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶3的活性,进而抑制软骨细胞凋亡。线粒体功能障碍是导致细胞凋亡的重要原因之一,且与Akt、ERK等信号通路相关[26]。Qi等[27]在体外培养的软骨细胞中加入白细胞介素(interleukin,IL)-1β以诱导其凋亡,发现软骨细胞凋亡过程中线粒体膜电位异常、ERK的磷酸化水平升高、Akt的磷酸化水平降低,而加入骨髓MSC-EXO能够显著改善这些异常改变,认为骨髓MSC-EXO能够抑制IL-1β诱导的软骨细胞凋亡。Wang等[28-29]研究发现,骨髓MSC-EXO能够通过抑制软骨细胞中钙黏蛋白-11的表达抑制Wnt通路的激活,进而促进软骨细胞增殖、抑制软骨细胞凋亡。

2.3 抑制炎症反应KOA患者IL-1β和肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α的表达量显著增加,而IL-1β、TNF-α均能作用于痛觉神经上相应的受体,进而引起疼痛[30]。此外,TNF-α还能够通过核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)、磷脂酰肌醇3-激酶/Akt等信号通路促进IL-1β及其他炎症因子的表达[31]。抑制炎症反应对于促进软骨组织修复意义重大。Vonk等[32]研究发现,骨髓MSC-EXO能够抑制NF-κB抑制蛋白的磷酸化,进而抑制NF-κB信号通路,降低相关炎症因子的表达。此外,MSC-EXO还能够促进IL-10和转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)的表达,促进软骨组织的修复[33]。Jiang等[34]在采用IL-1β诱导的软骨细胞的培养基中加入骨髓MSC-EXO,软骨细胞中TNF-α、IL-6等炎症因子的表达受到抑制。邢逸等[35]研究发现,骨髓MSC-EXO能够促使关节滑膜液中免疫细胞的极化,并下调IL-6、IL-1β的mRNA表达水平,上调TGF-β1的mRNA表达水平,认为骨髓MSC-EXO具有抑制炎症反应、促进软骨修复的作用。Zhou等[36]采用富含miR-126-3p的滑膜MSC-EXO干预KOA大鼠,干预后大鼠软骨组织中IL-1β、TNF-α的蛋白表达量均降低。因此,MSC-EXO促进软骨损伤修复的重要作用机制之一是抑制炎症因子的表达,进而为软骨修复提供良好的微环境。

2.4 增强软骨细胞自噬自噬是细胞通过降解自身细胞器和细胞质蛋白维持细胞内稳态的过程[37]。雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin,mTOR)是调控细胞自噬的重要蛋白之一,抑制mTOR的表达能够增强KOA软骨细胞自噬,避免软骨细胞进入凋亡途径[38]。Wu等[39]研究发现,髌下脂肪垫MSC-EXO能够显著增强IL-1β诱导下软骨细胞的保护性自噬,其作用机制可能与抑制mTOR有关,而髌下脂肪垫MSC-EXO的miRNA测序结果显示,髌下脂肪垫MSC-EXO中富含miR-100-5P。Luo等[40]研究发现,mTOR mRNA是miR-100的直接靶标,髌下脂肪垫MSC-EXO可能通过miR-100-5P抑制mTOR的表达,进而增强软骨细胞自噬。

3 小 结

MSC-EXO是由MSC分泌的具有MSC部分生理功能的多囊泡体,相较于MSC具有易于收集和储存、稳定性好、靶向性强及免疫排斥性低等优点。MSC-EXO能够通过抑制软骨ECM降解、调控细胞增殖与凋亡、抑制炎症反应、增强软骨细胞自噬等作用机制,促进软骨组织修复,增强软骨的稳定性,进而延缓KOA进展。MSC-EXO在修复KOA软骨损伤方面具有独特优势,关节腔注射MSC-EXO有望成为治疗KOA的重要疗法,但目前在治疗时机、治疗用量及治疗频次等方面均未形成规范,尚需更多的临床试验进一步深入探究。