外泌體非編碼RNA調控骨質疏松癥研究進展

郝茂辰 王磊 冬梅 王建忠

1.內蒙古醫科大學,內蒙古 呼和浩特 010000

2.內蒙古醫科大學第二附屬醫院,內蒙古 呼和浩特 010000

骨質疏松癥(osteoporosis,OP)是全球最常見的慢性疾病之一,其主要特征為骨量減少、骨脆性增加及骨微結構破壞[1-2],老年人骨質疏松癥的患病率高,在中國65歲以上人群中的患病率為32%,是老年人致殘和致死的主要原因之一[3]。目前臨床上使用的骨合成代謝劑和骨吸收抑制劑治療OP的效果有限,因此需要探索新的治療方法[4-6]。

外泌體是由胞內主動分泌到胞外的納米級囊泡微粒,包裹著包括蛋白質、核糖核酸和脂質在內的多種生物活性物質,主要負責細胞間信號傳導[7-9]。外泌體來源豐富,在局部骨微環境中可調節相關骨細胞的增殖分化,是治療OP的潛在途徑[10-11]。約70%的人類基因組可以轉錄,其中僅有1%～2%編碼蛋白質,而剩下的98%則為非編碼RNA(noncoding RNA,ncRNA)[12]。根據其功能可以分為管家RNA[如rRNA(ribosomal RNAs,rRNAs)、tRNA(transfer RNAs,tRNAs)、snRNA(smallnuclear RNAs,snRNAs)、snoRNA(smallnuclear RNAs,snRNAs)等]和調節RNA[如miRNA(microRNAs,miRNAs)、circRNA(circular RNAs,circRNAs)、lncRNA(long noncoding RNAs,lncRNAs)、siRNA(small interfering RNAs,siRNAs)等][13-14]。目前,因ncRNA在骨細胞增殖、分化、成熟和死亡等方面發揮重要作用,針對ncRNA在骨細胞微環境中的研究逐漸成為熱點。

本文詳細闡述了外泌體來源的ncRNA在OP中研究現狀,對未來ncRNA靶向治療OP研究方向及臨床轉化提供了理論基礎。

1 外泌體miRNA與骨質疏松癥

miRNA的序列長度通常為19～23個核苷酸,可以與RNA誘導的沉默復合物中的靶mRNA的3’UTR結合,并抑制mRNA的翻譯和/或穩定性,從而抑制蛋白質的表達。miRNA參與許多細胞功能的調節,如細胞凋亡、脂質代謝和細胞分化等[15-16]。OP的特征是由于骨吸收和骨形成之間的不平衡而導致的進行性骨丟失和微觀結構破壞[17-18]。近年來,在成骨細胞前體、成骨細胞、破骨細胞前體和破骨細胞中發現的一些外泌體miRNA,已被證實可以通過調節成骨細胞和破骨細胞的分化和信號傳遞來介導骨重塑[13,19]。外泌體miRNA因其在OP患者血清中的差異調節作用而逐漸被視為OP的重要生物標志物[20]。

1.1 外泌體miRNA與老年型骨質疏松癥

隨著機體衰老,衰老細胞分泌相關表型的分子到骨微環境中。這些成分可能在骨髓間充質干細胞(bone mesenchymal stem cells,BMSCs)和破骨細胞之間傳遞信號,從而調節骨重塑[21]。這被認為是老年型骨質疏松癥骨丟失的主要原因,且眾多研究表明miRNA可能起主要作用。與此同時,外泌體分泌到細胞外環境后,能將分泌物運送到靶細胞,保護分泌物在運輸過程中不被降解[22]。因此,BMSCs和破骨細胞之間的相互作用可能依賴于外泌體miRNA在骨髓微環境中的穿梭,進而調節骨重塑[23]。

Li等[21]研究了骨代謝相關的miRNA在老年骨折婦女和老年去卵巢(ovariectomized,OVX)小鼠的骨標本和血清外泌體中的表達,表明破骨細胞中與血清中外泌體miR-214-3p水平的升高和骨形成減少有關。在體內外實驗證明破骨細胞來源的外泌體miR-214-3p可以轉移到成骨細胞,抑制成骨細胞的骨形成。此外,實驗表明破骨細胞靶向抑制miR-214-3p治療可以促進衰老OVX小鼠的骨形成,這提示了一種miRNA介導的破骨細胞與成骨細胞通訊模型,用于維持局部骨環境的穩態[18,24-25]。

Xu等[26]首次報道miR-31a-5p通過促進衰老相關異染色質病灶的形成來機械調節細胞衰老。其結果表明,miR-31a-5p上調,老齡大鼠的BMSCs顯示出成骨減少和衰老表型增加。此外,Xun等[27]研究表明老年骨質疏松癥大鼠BMSCs的成骨分化在疲勞負荷后降低,這種降低可以通過高表達miRNA-19b-3p的年輕大鼠血清外泌體得到改善。Lu等[28]發現衰老成骨細胞來源的外泌體miR-139-5p可促進衰老和凋亡,并通過靶點TBX1抑制血管內皮細胞的增殖和遷移。Hu等[25]的研究報道了一種新型的雜化納米粒子,該納米粒子是將高表達C-X-C基序趨化因子受體4外泌體和攜帶antagomir-188的脂質體結合而成。這種雜化納米粒子能夠特異性地聚集在骨髓中并釋放antagomiR-188,從而促進BMSCs的成骨并抑制其成脂,逆轉小鼠年齡相關的小梁骨丟失并降低皮質骨孔隙率。

1.2 外泌體miRNA與廢用型骨質疏松癥

廢用型骨質疏松癥(disuse osteoporosis,DOP)是由機體骨骼機械刺激減少,骨微環境抵抗能力降低而引起的一種OP[29]。Yang等[7]研究表明外泌體miR-1263通過直接靶向受體細胞中的Mob1發揮其功能,抑制Mob1逆轉后肢去負荷誘導的BMSCs的凋亡效應。在體內,人臍帶血間充質干細胞外泌體應用于DOP模型,以驗證其益處。此外,陳志浩等[30]研究發現一種力學敏感的miR-138-5p。其在不同力學條件下通過靶向微管微絲交聯因子1(MACF1)和wntβ-catenin信號通路負調控成骨細胞分化和骨形成。實驗結果顯示,在miR-138-5p高表達的轉基因小鼠和老齡小鼠中,單獨的力學加載(跑步)對成骨的增加效果并不明顯,而當跑步的同時注射miR-138-5p抑制劑后,轉基因小鼠和老齡小鼠的成骨能力明顯增加。由此可見,miR-138-5p抑制劑可作為力學增敏劑為治療廢用型或老年性骨質疏松提供新的策路。

1.3 外泌體miRNA與絕經后骨質疏松癥

絕經后骨質疏松癥(postmenopausal osteoporosis,PMOP)是由于女性絕經后雌激素減少導致成骨細胞減少,破骨細胞增加而引起的骨質疏松[31-32]。研究表明,外泌體可以提高骨細胞對于雌激素的敏感性并促進骨再生[33]。Luo等[34]發現骨髓基質細胞外泌體(bone marrow stromal cell-derived exosomes,STExos)在體外顯著增強BMSCs的成骨分化,然而,在OVX誘導的PMOP小鼠模型中,靜脈注射STExos在改善骨質疏松表型方面效率低下,由于STExos表面與骨髓基質細胞特異性適配體結合,適配體將STExos遞送到骨髓基質細胞中。靜脈注射STExo-適配體復合物可增強OVX小鼠的骨量,并加速股骨骨折小鼠模型的骨愈合。這些結果證明了骨髓基質細胞特異性適配體功能化STExos靶向促進骨再生的有效性。此外,葉慶元等[35]研究表明供體(mesenchymal stem cells,MSCs)來源的外泌體可通過轉運miR-26a恢復鼠雌激素缺乏骨質疏松模型 MSCs功能并緩解骨質疏松。

1.4 外泌體miRNA在骨質疏松中癥的其他作用

局部血液供應或血管生成減少在OP中起著重要作用[9,24,36-37]。研究表明,老年小鼠和OVX小鼠的H型血管數量明顯減少,這些小鼠通常患有OP[38]。Wang等[39]研究表明膝關節負荷通過增強H型血管的形成和下調外泌體miR-214-3p來促進血管生成。血管內皮細胞分泌的外泌體相比于BMSCs等具有更強的靶向性和更低的毒性。Song等[38]研究通過外泌體miRNA測序顯示,在經血管內皮細胞外泌體(endothelial cell-secreted exosomes,EC-Exos)處理的骨髓巨噬細胞(bone marrow-derived macrophages,BMMs)中,miR-155高表達。EC-Exos中的miR-155水平遠高于BMMs和ECs,表明miR-155是EC衍生囊泡的內源性載物。阻斷BMMs miR-155水平逆轉了EC-Exos對破骨細胞的抑制,證明了外泌體miR-155可能具有OP的治療潛力。綜上,EC-Exos可作為骨靶向和無毒的納米藥物治療骨吸收障礙。

此外,Wei等[8]發現過表達miR-424-5p的外泌體通過WIF1/Wnt/β-連環蛋白減弱成骨發育。Li等[17]研究表明BMSCs來源的外泌體通過海馬信號通路轉移miR-186促進OVX大鼠成骨。Zhang等[40]研究表明來源于BMSCs的外泌體攜帶miR-935,通過靶向STAT1促進成骨細胞增殖和分化。Qiu等[41]研究表明BMSCs來源的外泌體miR-150-3p可以上調Runx2、Osterix這些成骨因子來刺激成骨細胞的增殖和分化。Yu等[5]研究發現M1巨噬細胞衍生的外泌體miR-98通過下調雙特異性磷酸酶1和激活JNK信號通路加重骨丟失。以上研究均為OP的治療和預防提供了潛在的靶點。

2 外泌體lncRNA與骨質疏松癥

lncRNA具有轉錄調節、表觀遺傳學調節、細胞周期調節等多種功能,具有疾病預測與診斷能力[42-44]。Liu等[45]報告了約1 500個lncRNA在骨質疏松情況下差異表達,其中約250個lncRNA表現出顯著差異[46]。因此,有必要對外泌體lncRNA對OP成骨細胞和破骨細胞的分化進行深入研究。

Yang等[47]研究表明BMSCs來源的外泌體lncRNA-MALAT1可能通過充當miR-34c海綿使SATB2表達上調,從而增強小鼠模型的成骨活性并緩解OP。此外,Cui等[48]研究發現內皮祖細胞衍生的外泌體LncRNA-MALAT1也可以通過充當miR-124海綿來上調整合素亞單位β1的水平,增強破骨細胞前體的募集和分化,促進體內骨修復。洪宇桁等[4]和樊萍等[49]研究均表明lncRNA-NEAT1的表達在成骨分化過程中顯著下調,而在破骨分化過程中顯著上調,提示lncRNA-NEAT1的表達可通過誘導破骨細胞分化和抑制成骨細胞分化導致OP的發生。

上述研究為OP的發病機制提供了更廣泛的思路,lncRNA可能作為預測及判斷預后的指標以及相關治療的潛在生物靶點,為OP 的預防和診斷提供理論指導。

3 外泌體cicrRNA與骨質疏松癥

cicrRNA是一類新的內源性共價連接的核糖核酸分子,沒有5’～3’極性或多聚腺苷酸尾。因其特殊的環狀結構,cicrRNA對核酸外切酶有很高的耐受性,這使得它們可以作為疾病中的特殊分子標記物。現在多項實驗數據表明cicrRNA的失調與OP有關。Yu等[50]研究發現共有387個circRNA在OP中差異表達。例如,Zhi等[51]研究表明血清/血漿中的has-circ-0002060在OP患者中顯著上調,并與低骨密度相關。此外,has-circ-0006859通過激活miR-431-5p上調ROCK1,抑制成骨細胞分化,促進BMSCs的成脂分化。該研究提示has-circ-0006859可作為檢測OP和疾病進展的潛在生物標志物,并有望成為DMOP的治療靶點。

此外,Cao等[52]研究表明外泌體circ-Rtn4通過海綿化miR-146a減弱了腫瘤壞死因子-α (TNF-α)誘導的小鼠MC3T3-E1細胞的細胞毒性和凋亡。Liu等[32]研究表明外泌體circHmbox1可能通過與miR-1247-5p結合抑制RANKL誘導的破骨細胞分化,參與TNF-α對DMOP骨代謝的調節。由此可見,研究circRNA在骨骼細胞中的表達調控以及外泌體circRNA的產生對于OP的診斷、預防和治療有重要意義。

4 總結與展望

目前對外泌體ncRNA的研究主要集中在miRNA,對lncRNA及circRNA的研究較為局限,但已有研究均顯示出了其在肌肉骨骼疾病中的意義。因外泌體可以保護ncRNA免受核糖核酸酶的影響,提高其穩定性,外泌體攜帶的ncRNA顯示出作為理想的臨床生物標志物的巨大潛力。與其他療法相比,基于外泌體的療法更具優勢,包括無創或侵入性小、無細胞、效率高、可用于篩查以及無明顯免疫原性和致瘤性等。此外,外泌體在通過骨組織工程治療OP方面具有強大的潛力。在骨組織工程中,負載材料的外泌體在骨折后OP中顯示出了獨特的優勢。

但目前分離能力有限,只能獲得低產量和低純度的外泌體。而且外泌體中復雜的多種物質在細胞通訊中的確切作用尚未明確。并且多數關于外泌體形成的ncRNA在肌肉骨骼疾病中的治療應用的證據是基于體外研究,而體內甚至臨床前研究更可靠,需要在未來繼續進一步去驗證。隨著 ncRNA,尤其是circRNA、lncRNA 研究的不斷深入,未來利用外泌體攜帶ncRNA 對OP相關骨細胞特定基因實現表達多點調控、協調骨重塑進程、延緩病情進展將有進一步突破。