間充質干細胞來源外泌體修復膝骨關節炎軟骨損傷作用機制的研究進展

伏玉龍,郭珈宜,李峰,張亦可,曹坤燕

(1.河南中醫藥大學研究生院,河南 鄭州 450046;2.河南省洛陽正骨醫院/河南省骨科醫院,河南 洛陽 471002)

膝骨關節炎(knee osteoarthritis,KOA)以膝關節軟骨退變和軟骨下骨骨質增生為主要病理特征,以膝關節疼痛、腫脹、活動受限為主要臨床表現,嚴重影響患者的生活質量,具有較高的致殘率[1-2]。軟骨組織退變是KOA最典型的病理特征,與軟骨細胞凋亡、細胞外基質(extracellular matrixc,ECM)降解關系密切[3-4]。目前臨床上采用非手術療法治療KOA,均不能遏制或逆轉KOA進程;晚期KOA患者可通過人工膝關節置換治療,但人工膝關節置換存在治療費用高、并發癥多等問題[5]。隨著對間充質干細胞(mesenchymal stem cell,MSC)研究的不斷深入,發現MSC在修復軟骨損傷方面具有獨特的優勢,關節腔注射MSC有望成為治療KOA的重要療法[6]。而外泌體(exosome,EXO)是MSC修復軟骨損傷的主要有效成分[7-8],且具有易于收集和儲存、穩定性好、靶向性強及免疫排斥性低等優點,在組織修復領域具有極大的應用潛能[9]。本文對MSC來源的EXO(MSC-EXO)進行了概述,并對MSC-EXO修復KOA軟骨損傷作用機制的研究進展進行了綜述。

1 MSC-EXO概述

EXO是細胞分泌的直徑40～150 nm的多囊泡體,可穩定存在于多種體液、分泌液及細胞培養基中,在旁分泌中發揮重要作用[10]。MSC-EXO內含有核酸(mRNA、miRNA等)、蛋白質、脂質等物質,具有MSC的部分生理功能,如促進軟骨再生[11-12]。MSC-EXO可從骨髓、脂肪、臍帶等組織中獲得[13]。不同來源MSC-EXO的組成成分存在差異,但包括凋亡相關基因2相互作用蛋白X、腫瘤易感基因101及CD9、CD63或CD81等跨膜蛋白在MSC-EXO中較為保守,常被作為MSC-EXO的標記蛋白[14]。

2 MSC-EXO修復KOA軟骨損傷的作用機制

2.1 抑制軟骨ECM降解軟骨由軟骨細胞和ECM構成。軟骨細胞是軟骨中唯一的細胞類型,在維持軟骨形態和功能方面發揮重要作用。隨著年齡增長,機體功能下降及其他多種因素導致軟骨細胞維持其ECM穩定的能力下降,ECM合成與降解之間的平衡失調,導致潮線向軟骨層推移,軟骨組織逐漸退變[15]。因此,維持ECM的穩定對于延緩KOA進展具有重要作用。Wang等[16]采用膝關節腔注射胚胎MSC-EXO干預KOA模型小鼠,結果顯示小鼠關節軟骨組織中Ⅱ型膠原的蛋白表達量升高,而聚蛋白多糖酶的蛋白表達量下降,認為胚胎MSC-EXO能夠抑制軟骨ECM的降解,增強軟骨的穩定性。基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)是ECM降解的重要蛋白酶之一,在軟骨損傷進程中起關鍵作用[17]。Rilla等[9]研究發現,MSC-EXO能夠降低MMP-13的活性,進而抑制軟骨ECM的降解。He等[18]研究發現,在KOA模型大鼠膝關節腔內注射的骨髓MSC-EXO能夠被軟骨細胞內吞,進而提高軟骨組織中Ⅱ型膠原和蛋白聚糖的含量,降低MMP-13和聚蛋白多糖酶的表達量,提示骨髓MSC-EXO能夠有效促進軟骨細胞外基質的合成,修復軟骨損傷。

2.2 調控軟骨細胞增殖與凋亡在健康人體軟骨組織中,軟骨細胞的增殖和凋亡處于動態平衡之中,如果細胞凋亡速度過快,二者間的平衡被打破,則會導致軟骨組織退變。KOA患者軟骨細胞增殖能力降低、細胞凋亡水平增加,導致膝關節軟骨組織退變[19]。因此,抑制軟骨細胞凋亡、促進軟骨細胞增殖對防治KOA軟骨組織退變具有重要意義。Zhou等[20]研究發現,在KOA小鼠中注射骨髓MSC-EXO可減輕KOA癥狀,進一步機制分析結果表明,骨髓MSC-EXO能夠通過骨形態發生蛋白4信號通路促進軟骨細胞的增殖,進而延緩KOA的進展。Yan等[21-22]研究發現,臍帶MSC-EXO的lncRNA H19可作為miR-29b-3p的競爭性內源海綿,干擾miR-29b-3p對叉頭框蛋白O3(forkhead box O3,FoxO3)信號通路的靶向抑制作用,而FoxO3在促進軟骨細胞遷移、分泌基質及抑制軟骨細胞凋亡與衰老進程中發揮重要作用。因此,臍帶MSC-EXO中的lncRNAH19在促進軟骨細胞增殖和抑制軟骨細胞凋亡中發揮重要作用。相關研究發現,MSC-EXO能夠通過蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)、細胞外信號調節激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)、Wnt等信號通路調控細胞的增殖與凋亡[23-24]。Kuang等[25]研究發現,臍帶MSC-EXO通過Akt信號通路抑制B淋巴細胞瘤-2基因相關啟動子蛋白、半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶3的活性,進而抑制軟骨細胞凋亡。線粒體功能障礙是導致細胞凋亡的重要原因之一,且與Akt、ERK等信號通路相關[26]。Qi等[27]在體外培養的軟骨細胞中加入白細胞介素(interleukin,IL)-1β以誘導其凋亡,發現軟骨細胞凋亡過程中線粒體膜電位異常、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能夠顯著改善這些異常改變,認為骨髓MSC-EXO能夠抑制IL-1β誘導的軟骨細胞凋亡。Wang等[28-29]研究發現,骨髓MSC-EXO能夠通過抑制軟骨細胞中鈣黏蛋白-11的表達抑制Wnt通路的激活,進而促進軟骨細胞增殖、抑制軟骨細胞凋亡。

2.3 抑制炎癥反應KOA患者IL-1β和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α的表達量顯著增加,而IL-1β、TNF-α均能作用于痛覺神經上相應的受體,進而引起疼痛[30]。此外,TNF-α還能夠通過核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)、磷脂酰肌醇3-激酶/Akt等信號通路促進IL-1β及其他炎癥因子的表達[31]。抑制炎癥反應對于促進軟骨組織修復意義重大。Vonk等[32]研究發現,骨髓MSC-EXO能夠抑制NF-κB抑制蛋白的磷酸化,進而抑制NF-κB信號通路,降低相關炎癥因子的表達。此外,MSC-EXO還能夠促進IL-10和轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)的表達,促進軟骨組織的修復[33]。Jiang等[34]在采用IL-1β誘導的軟骨細胞的培養基中加入骨髓MSC-EXO,軟骨細胞中TNF-α、IL-6等炎癥因子的表達受到抑制。邢逸等[35]研究發現,骨髓MSC-EXO能夠促使關節滑膜液中免疫細胞的極化,并下調IL-6、IL-1β的mRNA表達水平,上調TGF-β1的mRNA表達水平,認為骨髓MSC-EXO具有抑制炎癥反應、促進軟骨修復的作用。Zhou等[36]采用富含miR-126-3p的滑膜MSC-EXO干預KOA大鼠,干預后大鼠軟骨組織中IL-1β、TNF-α的蛋白表達量均降低。因此,MSC-EXO促進軟骨損傷修復的重要作用機制之一是抑制炎癥因子的表達,進而為軟骨修復提供良好的微環境。

2.4 增強軟骨細胞自噬自噬是細胞通過降解自身細胞器和細胞質蛋白維持細胞內穩態的過程[37]。雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin,mTOR)是調控細胞自噬的重要蛋白之一,抑制mTOR的表達能夠增強KOA軟骨細胞自噬,避免軟骨細胞進入凋亡途徑[38]。Wu等[39]研究發現,髕下脂肪墊MSC-EXO能夠顯著增強IL-1β誘導下軟骨細胞的保護性自噬,其作用機制可能與抑制mTOR有關,而髕下脂肪墊MSC-EXO的miRNA測序結果顯示,髕下脂肪墊MSC-EXO中富含miR-100-5P。Luo等[40]研究發現,mTOR mRNA是miR-100的直接靶標,髕下脂肪墊MSC-EXO可能通過miR-100-5P抑制mTOR的表達,進而增強軟骨細胞自噬。

3 小 結

MSC-EXO是由MSC分泌的具有MSC部分生理功能的多囊泡體,相較于MSC具有易于收集和儲存、穩定性好、靶向性強及免疫排斥性低等優點。MSC-EXO能夠通過抑制軟骨ECM降解、調控細胞增殖與凋亡、抑制炎癥反應、增強軟骨細胞自噬等作用機制,促進軟骨組織修復,增強軟骨的穩定性,進而延緩KOA進展。MSC-EXO在修復KOA軟骨損傷方面具有獨特優勢,關節腔注射MSC-EXO有望成為治療KOA的重要療法,但目前在治療時機、治療用量及治療頻次等方面均未形成規范,尚需更多的臨床試驗進一步深入探究。