外泌体携载微小RNA治疗骨关节炎的研究

2023-03-21孙硕张锡光岳乔宁余小超张少雄滕宜荣滕兆伟

中国骨质疏松杂志 2023年2期

孙硕张锡光* 岳乔宁余小超张少雄滕宜荣滕兆伟

1.昆明医科大学第六附属医院骨外科，云南玉溪 653100 2.昆明医科大学第六附属医院全科医学科，云南玉溪 653100 3.云南省第一人民医院骨外科，云南昆明 650000

骨关节炎(osteoarthritis，OA)是常见的退行性骨关节疾病，以关节软骨破坏、滑膜炎症、软骨下骨硬化和细胞外基质丢失等为主要特征，是全球范围内致残的主要原因之一[1]。在我国，骨关节炎每年的平均诊疗费用高昂，造成了巨大的经济负担。因此，阐明骨关节炎的具体机制并寻求新的诊治策略，成为亟待解决的卫生健康问题。

目前治疗骨关节炎的方法多样，早期患者常采用保守治疗，包括服用非甾体类抗炎药、氨基葡萄糖等，中晚期患者则采用自体软骨细胞移植、关节置换等有创治疗方式[2-3]。既往治疗具有副作用明显、创伤大等特点，因此学者们在寻求更加高效的治疗方式。外泌体具有稳定性高、靶向作用强等优势，且外泌体能通过携带微小RNA(microRNA，miRNA)来介导关节软骨细胞间通讯并调节受体细胞的生物活性，进而调控病情进展[4]。因此，探索外泌体及miRNA在骨关节炎诊疗中的作用机制并应用于此类疾病，具有重大的研究及临床意义。

1 外泌体及miRNA的结构及功能

外泌体(exosome)是由细胞分泌的纳米大小的小细胞外囊泡，通过携带核酸、蛋白质等其他生物活性物质，在人体的生理和病理过程中发挥作用[5]；其可将生化分子转移到靶细胞内，通过调控靶基因及蛋白，进而介导生物学过程[6]。外泌体参与骨关节炎的炎症、免疫调节、血管新生及软骨修复等方面[7]，因此，将外泌体应用于骨关节炎，可能为骨关节炎的诊疗开拓新的视野。

miRNA是长度为19～25个核苷酸的单链非编码RNA，可以影响各种细胞过程，并在各种疾病中发挥重要作用[8]。miRNA已被证明可以调节不同疾病中的不同细胞过程，如通过介导Wnt/β-catenin途径，发挥调控软骨细胞和骨细胞代谢活性的作用，为miRNA作为骨关节炎治疗药物提供了新的理论依据[9]。

研究[10]发现，外泌体可通过携载miRNA促进软骨细胞增殖和基质分泌，减少瘢痕组织形成并消退炎症，进而在软骨再生中发挥作用。因此，深入挖掘并阐述外泌体及miRNA在骨关节炎诊疗方面的机制，为骨关节炎提供了新的研究靶点。本文就不同来源外泌体携载miRNA在骨关节炎病情进展中的作用进行综述，以期对骨关节炎的诊疗有所帮助。

2 不同来源外泌体携载miRNA在骨关节炎进展中的研究

2.1 骨髓间充质干细胞源外泌体

骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs)具有多向分化和自我更新的潜力，可分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞等；还可通过旁分泌机制发挥组织修复等功能[11-12]。因而，深入挖掘探索骨髓间充质干细胞在骨关节炎中的作用机制，为骨关节炎的诊疗开拓了新的视野。

骨髓间充质干细胞源外泌体可通过携载miRNA发挥其治疗作用，进而解决临床疾病治疗和组织工程研究中的重要问题。Tao Yunxia等[13]学者研究发现，骨髓间充质干细胞源外泌体，通过携载miRNA-361-5p，下调DDX20并灭活核转录因子(nuclear factor-kappaB, NF-κB)信号通路，最终达到缓解骨关节炎症状的临床效果。骨髓间充质干细胞衍生的外泌体源miR-206，通过减少E74样转录因子3(E74-like ETS transcription factor 3, Elf3)，可促进骨关节炎中成骨细胞的增殖和分化，为骨关节炎的治疗提供新的靶点[14]。骨髓间充质干细胞源外泌体过表达miR-26a-5p，可作为骨关节炎中前列腺素内过氧化物合成酶2(prostaglandin-endoperoxide synthase2, PTGS2) 损伤滑膜成纤维细胞的抑制剂，在小鼠骨关节炎模型的诊疗中，发挥了重要作用[15]。作为miR-9-5p的靶基因，多配体蛋白聚糖-1(syndecan-1, SDC-1)的上调导致炎症和骨关节炎样损伤加重，骨髓间充质干细胞来源的外泌体miR-9-5p通过抑制SDC1，发挥抗炎及保护软骨的关键作用[16]。

2.2 软骨细胞源外泌体

软骨细胞源外泌体可选择性富集miRNAs，在骨形成、软骨发育相关的各种信号通路中，这些miRNA扮演着重要角色[17-18]。

Mao Guping等[19]研究报道，骨关节炎软骨细胞源外泌体通过携带miR-95-5p直接靶向于组蛋白去乙酰化酶(HDAC)-2/8，进而促进软骨形成，抑制骨关节炎病情进展。因此，携带miR-95-5p的软骨细胞源外泌体可作为HDAC2/8抑制剂并表现出作为骨关节炎药物的重要潜力。

骨关节炎软骨下骨的成骨细胞释放的外泌体源miR-210-5p在软骨变性的进展中起着关键作用，可能是骨关节炎治疗干预的潜在靶点。Wu Xiaoxin等[20]学者研究发现，在骨关节炎硬化性软骨下骨的成骨细胞外泌体中，miR-210-5p高度富集且能抑制软骨细胞的耗氧速率，改变骨关节炎中软骨细胞常见的生物能量状态。因此，关注并研究骨关节炎软骨下骨源外泌体携载的miR-210-5p，对于临床上骨关节炎的诊疗具有重要意义。

2.3 滑膜源外泌体

探索滑膜源外泌体miRNAs在绝经后女性骨关节炎中的作用机制，可为骨关节炎的诊治提供新的作用手段。在女性骨关节炎患者中，滑膜源的特异性外泌体miRNAs可与雌激素相结合并可靶向Toll样受体(toll-like receptors, TLR)信号通路[21]，这可能是绝经后女性骨关节炎发病率增加的重要原因。

滑膜间充质干细胞源外泌体能够通过携载过表达miR-140-5p增强关节软骨细胞的增殖和迁移能力，而不会损害细胞外基质的分泌，发挥增强软骨组织再生并预防膝关节骨关节炎的作用[22]。

滑膜间充质干细胞源外泌体还可通过携载miR-155-5p促进骨关节炎软骨细胞的增殖和迁移，抑制细胞凋亡，增强软骨外基质(extracellular matrix, ECM)的分泌量并有效地阻止小鼠模型中的骨关节炎症状[23]。

2.4 尿液干细胞源外泌体

尿液干细胞因来源广又可调控骨关节炎的病程，因而也受到了研究人员的关注。Liu Yuan等[24]发现，通过在IL-1β处理的骨关节炎大鼠模型关节内注射人尿液干细胞衍生的外泌体后，软骨细胞的增殖和迁移能力增强，细胞凋亡受到抑制，但细胞外基质分泌量有减少；当使用携载miR-140-5p的慢病毒颗粒转染上述人尿液干细胞，收集其分泌的外泌体注射至同样处理的骨关节炎大鼠模型内，发现携载miR-140-5p的外泌体不仅能增强软骨再生和软骨下骨重塑，还通过靶向血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor A, VEGFA)增加了细胞外基质的分泌。

2.5 胚胎间充质干细胞源外泌体

胚胎间充质干细胞类似于成人间充质干细胞，也具有免疫调节特性和再生潜力，可作为治疗各种疾病的细胞来源。

人胚胎间充质干细胞衍生的外泌体源miR-100-5p直接靶向作用于NADPH氧化酶4(NADPH oxidase 4, NOX4)，抑制了环状菌株诱导的关节软骨细胞活性氧(reactive oxygen species, ROS)产生和细胞凋亡。表明miR-100-5p/NOX4轴在原发性关节软骨细胞损伤中的重要性，为关节软骨细胞损伤和骨关节炎的治疗策略提供了新的见解[25]。

2.6 髌下脂肪垫间质干细胞源外泌体

在临床膝关节手术中，髌下脂肪垫简单易获取，因此，髌下脂肪垫的应用逐渐得到了临床医生的认可。髌下脂肪垫间质干细胞源外泌体携带大量miRNA-100-5p，可激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)自噬信号通路，抑制细胞凋亡，增强基质合成，降低体外分解代谢因子的表达，改善骨关节炎严重程度，从而保护关节软骨并改善步态异常症状[26-27]。

3 工程化外泌体

天然外泌体具有靶向性差、有效作用数量少等特点，而通过电穿孔、孵育等方法制备得到含有选定miRNA、药物和酶等物质的工程化外泌体，有效解决了天然外泌体存在的问题[28]。

Liang Yujie等[29]学者研究发现，将软骨细胞亲和肽(chondrocyte-affinity peptide, CAP)与溶酶体相关膜糖蛋白融合获得CAP外泌体，该外泌体可以有效地封装miR-140，特异性进入软骨细胞，抑制软骨降解蛋白酶并缓解大鼠模型中骨关节炎的进展，为骨关节炎的治疗提供了潜在的策略。因此，阐明工程化外泌体的作用机制并将其应用于骨关节炎等疾病具有重大意义。