外泌體來源miRNAs對骨質(zhì)疏松癥的作用與機(jī)制的研究進(jìn)展

余小超 張少雄 孫碩 岳喬寧 張錫光 滕兆偉

1.昆明醫(yī)科大學(xué)第六附屬醫(yī)院，云南 玉溪 653100 2.云南省第一人民醫(yī)院骨科，云南 昆明 650000

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是一種以骨量降低、骨脆性增加和骨組織微結(jié)構(gòu)受損為特點(diǎn)的全身代謝性骨疾病[1]。OP發(fā)病率高、危害巨大，是世界各國面臨的重大公共衛(wèi)生健康問題[2]。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)具有多項(xiàng)分化潛能，是成骨細(xì)胞與脂肪細(xì)胞形成的重要前體細(xì)胞[3]。多種內(nèi)源性及外源性因素參與調(diào)控BMSCs譜系分化，在衰老、病理因素等刺激下，易導(dǎo)致成骨分化與成脂分化失平衡，最終加速OP的發(fā)生及進(jìn)展[4]。

外泌體是一類天然存在的細(xì)胞外囊泡，直徑30～150 nm，在其脂質(zhì)雙分子層結(jié)構(gòu)內(nèi)部包裹著豐富的“貨物”，包括多種非編碼RNA、信使RNA、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、轉(zhuǎn)錄因子及細(xì)胞因子等[5]。作為細(xì)胞間通訊的重要媒介，外泌體經(jīng)旁分泌或體液運(yùn)輸?shù)刃问降竭_(dá)鄰近及遠(yuǎn)距離BMSCs，經(jīng)質(zhì)膜融合形成多泡體并卸載其內(nèi)部的有效成分進(jìn)入靶細(xì)胞，調(diào)控BMSCs的增殖及多譜系分化[6]。在其攜載的活性物質(zhì)中，非編碼RNA尤其是miRNA(microRNA，微小RNA)對于調(diào)控BMSCs成骨及成脂分化發(fā)揮重要功能[7]。本文從調(diào)控BMSCs成骨及成脂分化的角度，對外泌體源miRNA在OP中的作用與機(jī)制進(jìn)行綜述，為研究、診斷及治療OP提供新的思路。

1 外泌體來源miRNAs參與調(diào)控BMSCs成骨分化及成脂分化

miRNA的長度為19～25個(gè)核苷酸，是一種小的內(nèi)源性單鏈非編碼RNA，參與機(jī)體內(nèi)多種生理和病理過程[8]。作為外泌體攜載的重要成分，miRNA往往通過與mRNA的3-UTR(即3-非翻譯區(qū))或ORF(開放閱讀框)結(jié)合，通過介導(dǎo)mRNA降解或轉(zhuǎn)錄后基因沉默，誘導(dǎo)BMSCs向成骨細(xì)胞或脂肪細(xì)胞分化[9]。

1.1 外泌體來源miRNA調(diào)控BMSCs成骨分化

外泌體來源的miRNA能夠穩(wěn)定地從骨微環(huán)境轉(zhuǎn)移到BMSCs內(nèi)，通過靶向成骨相關(guān)基因，調(diào)控BMSCs成骨分化[10]。成骨分化轉(zhuǎn)錄因子如Runx2、Osterix、AP-1、ATF4等參與調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞骨基質(zhì)的形成，在BMSCs成骨分化的調(diào)控、成骨細(xì)胞的維持及增殖中發(fā)揮重要作用[11]。

多種外泌體來源miRNAs被證明促進(jìn)骨生成，延緩OP的進(jìn)展。BMSCs衍生外泌體中過表達(dá)的miR-150-3p能顯著上調(diào)Runx2、Osterix的表達(dá)[12]。Li等[13]發(fā)現(xiàn)經(jīng)中藥淫羊藿預(yù)處理的OP模型大鼠，其BMSCs衍生的外泌體富含miR-27a-5p，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，miR-27a-5p通過靶向結(jié)合Atg4B的3-UTR，負(fù)向調(diào)控自噬相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子Agt4B，在抑制細(xì)胞自噬的同時(shí)刺激礦物結(jié)節(jié)的形成及Runx2、BMP-2等成骨基因的表達(dá)。富集于小鼠BMSCs來源外泌體的miR-935能夠通過負(fù)向調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子STAT1，進(jìn)而促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖及分化[14]。Chen等[15]構(gòu)建出的過程化外泌體含有高表達(dá)量的miR-375，通過靶向抑制成骨分化負(fù)調(diào)節(jié)因子IGFBP3以增強(qiáng)骨再生，揭示出miR-375調(diào)控成骨的潛在機(jī)制，為外泌體作為基因遞送載體轉(zhuǎn)運(yùn)治療性 miRNAs 的應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。M1巨噬細(xì)胞衍生外泌體在炎癥早期能夠釋放大量的miR-21a-5p，通過上調(diào)成骨相關(guān)因子的表達(dá)，誘導(dǎo)BMSCs向成骨細(xì)胞分化[16]。外泌體來源miRNAs同樣可作為致病因素，加速OP的發(fā)生及進(jìn)展。外泌體源miR-31a-5p通過靶向SATB2的3′UTR，下調(diào)成骨標(biāo)志物的表達(dá)并阻礙骨生成[17]。外泌體來源miR-23a-5p、miR-424-5p也能夠顯著下調(diào)成骨轉(zhuǎn)錄因子Runx2的表達(dá)，促進(jìn)OP的發(fā)生發(fā)展[18-19]。筆者將目前所有已報(bào)道的具有調(diào)控BMSCs成骨分化功能的外泌體源miRNA匯總于表1。

表1 具有調(diào)控BMSCs成骨分化功能的外泌體miRNAsTable 1 Exosomal miRNAs with the function of regulating osteogenic differentiation of BMSCs

續(xù)表1 具有調(diào)控BMSCs成骨分化功能的外泌體miRNAsContinued table 1 Exosomal miRNAs with the function of regulating osteogenic differentiation of BMSCs

1.2 外泌體來源miRNAs調(diào)控BMSCs成脂分化

轉(zhuǎn)錄因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ)和CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白α(CCAAT/enhancer binding proteins，C/EBPα)在調(diào)控BMSCs成脂分化的各個(gè)階段中都發(fā)揮重要功能，是脂肪生成的關(guān)鍵因素[50]。外泌體來源miRNAs通過影響上述轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)來調(diào)控BMSCs成脂分化。

Wei等[51]發(fā)現(xiàn)脂肪組織巨噬細(xì)胞外泌體源的miR-155可靶向PPARγ，抑制胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及糖耐量并妨礙脂肪生成。大鼠脂肪組織外泌體來源miR-450a-5p靶向抑制成脂負(fù)性調(diào)控因子WISP2促進(jìn)脂肪生成；在抑制miR-450a-5p后逆轉(zhuǎn)了WISP2的下調(diào)，PPARγ2、aP2亦隨之下降，表明外泌體源miR-450a-5p表達(dá)量的高低對BMSCs成脂分化產(chǎn)生相反效果[52]。值得注意的是，Zhang等[52]通過測序還發(fā)現(xiàn)該外泌體內(nèi)富集了45種不同的miRNAs，共有14種差異表達(dá)miRNAs可能參與調(diào)控脂肪形成。其中一部分差異miRNAs調(diào)控BMSCs成脂分化的機(jī)制已有報(bào)道：miR-30a-5p、miR-30 d-5p可能直接靶向抑制Runx2促進(jìn)成脂；miR-181a-5p可能通過抑制TGF-β促進(jìn)脂肪細(xì)胞生成；miR-199a-3p經(jīng)靶向作用抑制Smad1，促進(jìn)成脂。而外泌體源miR-25-3p可能靶向抑制KLF4 /C/EBPα，下調(diào)PPARγ，抑制成脂分化。另外，miR-27b-3p、miR-224-5p等雖已報(bào)道可抑制成脂分化，但具體機(jī)制尚未闡明。另外，Zhou等[53]發(fā)現(xiàn)胎牛血清外泌體來源的miR-1246能被hBMSCs正常攝取且最終抑制BMSCs成脂分化，表明外泌體攜載miRNAs可跨物種調(diào)控hBMSCs譜系分化。

1.3 外泌體來源miRNA同時(shí)調(diào)控BMSCs成骨及成脂分化

Wnt/β-catenin、TGF-β/BMPs信號通路是介導(dǎo)機(jī)體內(nèi)骨/脂肪平衡的重要樞紐[54]。在成骨分化過程中，該通路下的骨形態(tài)發(fā)生蛋白和WNT通過多種機(jī)制抑制PPAR的反式激活，阻礙脂肪的生成[55]。

Duan等[49]發(fā)現(xiàn)脂肪細(xì)胞衍生的細(xì)胞外囊泡內(nèi)高表達(dá)的miR-148a靶向抑制Wnt5a/Ror2通路，上調(diào)PPAR-γ，在促進(jìn)脂肪生成的同時(shí)抑制成骨分化。相比于OP，非創(chuàng)傷性股骨頭壞死(NONFH)也與BMSCs的成骨和脂肪形成的失平衡相關(guān)。Wu等[42]在檢測NONFH患者壞死骨組織外泌體后發(fā)現(xiàn)富集的miR-100-5p，通過抑制BMPR2/Smad1/5/9信號通路，上調(diào)PPARγ，最終抑制hBMSCs成骨分化并促進(jìn)脂肪生成，骨組織外泌體源miR-100-5p可能是診治NONFH及OP的潛在生物標(biāo)志物。Huang等[56]研究表明miR-22-3p能夠靶向抑制組蛋白去乙酰化酶 6(HDAC6)，同時(shí)調(diào)控骨/脂肪的生成，可作為成骨-成脂分化平衡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑。FTO的激活能夠促進(jìn)成脂分化并加速脂肪堆積[57]，Zhang等[26]隨后發(fā)現(xiàn)外泌體中富集的miR-22-3p通過下調(diào)FTO，促進(jìn)BMSCs成骨分化并抑制脂肪生成。上述研究表明miR-22-3p可通過不同機(jī)制調(diào)節(jié)骨-脂肪平衡。另外，外泌體源miR-151-5p 能夠重建 BMSCs功能和骨髓穩(wěn)態(tài)，通過抑制IL4Rα/mTOR通路增強(qiáng)骨形成的同時(shí)阻礙成脂分化[58]。

2 小結(jié)和展望

OP患者表現(xiàn)為骨量減少，骨髓脂肪積累，其發(fā)生進(jìn)展與BMSCs分化譜系的失調(diào)密切關(guān)聯(lián)[59]。miRNA廣泛參與調(diào)控BMSCs成骨及成脂分化，如miRNA-146a、miRNA-188等都是與衰老相關(guān)的骨與脂肪轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，被視為診治OP的潛在生物標(biāo)志物[60-61]。

外泌體天然存在于各類動(dòng)植物中，能夠穩(wěn)定攜載并運(yùn)輸多種活性成分，具備靶向性、特異性，既能發(fā)揮干細(xì)胞相似的旁分泌功能，又可避免干細(xì)胞移植引起的免疫反應(yīng)[10]。作為細(xì)胞間通訊的重要媒介，外泌體將內(nèi)部miRNAs運(yùn)送至BMSCs內(nèi)，通過上調(diào)/下調(diào)成骨分化基因(Runx2、Osterix等)、成脂分化基因(PPARγ、C/EBPα等)的表達(dá)，激活/抑制Wnt/β-catenin或TGF-β/BMPs等信號通路來調(diào)節(jié)骨/脂肪的形成[62]。

基于上述優(yōu)勢，制備攜載治療性miRNAs的工程化外泌體能夠更及時(shí)有效的預(yù)防、診斷及治療OP，但現(xiàn)階段要實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化仍存在著巨大挑戰(zhàn)。首先，仍需不斷探索更多外泌體源的miRNAs在OP中的功能及具體機(jī)制，為工程化制備治療性外泌體提供研究基礎(chǔ)；其次，對于外泌體源miRNAs治療OP的有效性及安全性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證；第三，胎牛血清外泌體攜載的miRNA可調(diào)控hBMSCs的成脂分化，但跨物種調(diào)控領(lǐng)域仍需深入探索。相信隨著人類對外泌體的認(rèn)識(shí)不斷深入，工程化外泌體的臨床應(yīng)用或?qū)⒊蔀閷筄P的利器。