干細(xì)胞衍生的外泌體在骨科和創(chuàng)傷外科中的臨床應(yīng)用

一、骨折

骨折是常見的創(chuàng)傷性大器官損傷，約10%的骨折愈合不好。骨折愈合涉及合成代謝組織膨脹期和分解代謝組織重塑期，這兩個階段由各種因素控制，如干細(xì)胞、先天和適應(yīng)性免疫功能，骨折的生物藥理學(xué)治療可以局部給予（如骨形態(tài)發(fā)生蛋白，BMP）或全身給予（如甲狀旁腺激素，PTH）。作為一種有前景的替代方案，用于骨折愈合的外泌體治療主要利用骨髓來源的MSCs作為細(xì)胞供應(yīng)商。

· MSCs衍生的外泌體促進(jìn)骨折愈合的機(jī)制

首先，骨修復(fù)的進(jìn)展需要多種細(xì)胞，例如炎癥階段的炎癥細(xì)胞、纖維血管階段的內(nèi)皮和間充質(zhì)祖細(xì)胞、骨形成過程中的成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞以及骨痂重塑過程中的破骨細(xì)胞，它們與骨折愈合相關(guān)。在外泌體吸收后，受體細(xì)胞的基因表達(dá)被修飾，從而激活各種信號通路，引起各種細(xì)胞和組織反應(yīng)，并改善骨折愈合。

二、骨關(guān)節(jié)炎

骨關(guān)節(jié)炎（OA）是成人常見的關(guān)節(jié)疾病，也是活動受限的常見原因，影響全球約2.4億患者。OA的病理學(xué)已從僅被視為軟骨演變?yōu)橐环N多組織疾病，影響整個關(guān)節(jié)的所有組成部分，包括骨、滑膜、肌肉、韌帶，臨床試驗已經(jīng)成功揭示了阻止結(jié)構(gòu)進(jìn)展（例如組織蛋白酶K和Wnt抑制劑）或減輕OA疼痛（例如神經(jīng)生長因子抑制劑）的系統(tǒng)性化合物。作為OA的潛在治療選擇，大多數(shù)MSC衍生的外泌體治療在體外模型中使用軟骨細(xì)胞作為靶點。這些間充質(zhì)干細(xì)胞可能來源于各種組織，如骨髓、滑膜、牙齦和髕下脂肪墊（IPFP）。

· 軟骨形成

IPFP-MSC衍生的外泌體通過miR100-5調(diào)節(jié)的mTOR自噬途徑抑制，保護(hù)OA小鼠的關(guān)節(jié)軟骨免受損傷，并改善步態(tài)異常。由于在臨床內(nèi)通過關(guān)節(jié)鏡手術(shù)很容易從OA患者身上取回人IPFP，這種類型的外泌物治療可能會簡化和加速從工作臺到床邊的過程。研究人員發(fā)現(xiàn)MSC衍生的外泌體可以通過OA中的lncRNA-KLF3-AS1/miR-206/GIT1軸促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖和抑制軟骨細(xì)胞的凋亡。細(xì)胞研究表明，滑膜MSC衍生的內(nèi)泌體miR-320c可以通過靶向ADAM19.81增強(qiáng)軟骨形成。此外，來自軟骨源性MSCs的外泌體miR-92a-3p可以通過靶向Wnt5a82增強(qiáng)軟骨生成并抑制軟骨降解。與使用原始外泌體的這些研究相比，很少有組在全身給藥前修飾外泌體。通過用miR-140-5p轉(zhuǎn)染滑膜間充質(zhì)干細(xì)胞來修飾外泌體，發(fā)現(xiàn)外泌體miR-140-5p-過表達(dá)可以增強(qiáng)大鼠模型中軟骨組織的再生并預(yù)防膝關(guān)節(jié)OA。同時，使用TGF-β1刺激間充質(zhì)細(xì)胞，以及由此產(chǎn)生的外泌體miR-135b通過調(diào)節(jié)特異性蛋白-1。增加軟骨細(xì)胞增殖。在一項比較研究中，來自iPSC衍生的MSC的外泌體外體比滑膜MSC衍生的外泌體內(nèi)對OA的治療作用更強(qiáng)。

· OA治療過程中的抗炎和免疫調(diào)節(jié)

MSC衍生的外泌體在體外抑制炎癥因子、谷氨酰胺代謝活性相關(guān)蛋白、谷氨酰胺和GSH/GSSG比率，同時在體內(nèi)改善小鼠的軟骨細(xì)胞功能、組織炎癥和運動能力，從而緩解OA進(jìn)展。研究已經(jīng)將注意力從軟骨轉(zhuǎn)移到腹瀉關(guān)節(jié)的其他組織（如骨骼）上。首先，骨髓MSC衍生的外泌體miR-206通過減少E74樣因子3（Elf3）促進(jìn)OA中成骨細(xì)胞的增殖和成骨分化，并改善小鼠股骨組織中的炎癥和增加骨鈣素和BMP2的表達(dá)。其次，MSC外泌體治療的骨軟骨缺損表現(xiàn)出再生免疫表型，其特征是CD163+M2巨噬細(xì)胞的浸潤高于CD86+M1巨噬細(xì)胞，同時促炎滑膜細(xì)胞因子IL-1β和TNF-α減少。牙齦MSC衍生的外泌體被證明在預(yù)防膠原誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎方面具有免疫抑制作用。與親代細(xì)胞相比，這些外泌體通過抑制IL-17RA-Act1-TRAF6-NF-κB信號通路，在抑制IL-17A和促進(jìn)IL-10、減少關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率和骨侵蝕方面具有相同或更強(qiáng)的作用。

目前，還沒有一種“一刀切”的藥物適用于所有OA患者。疾病修飾性O(shè)A藥物（DMOAD）可能成為下一代OA治療方法。MSC衍生的外泌體治療OA與DMOAD一致是非常有價值和相關(guān)的：兩者都能夠靶向炎性細(xì)胞因子、基質(zhì)降解酶和Wnt途徑。因此，新興的DMOAD開發(fā)方法，如基于miRNA的模式和靶向細(xì)胞衰老，也可能用于完善基于MSC的OA外泌體治療。

三、脊髓損傷

創(chuàng)傷性脊髓損傷（SCI）是一個毀滅性的全球健康問題，對患者和社會造成了重大的功能和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。脊髓損傷的病理生理學(xué)包括機(jī)械創(chuàng)傷引起的原發(fā)性損傷和以細(xì)胞凋亡、水腫、缺血、炎性細(xì)胞浸潤和興奮性毒性為特征的繼發(fā)性損傷級聯(lián)。盡管進(jìn)行了手術(shù)干預(yù)，但涉及藥物治療的臨床研究可大致分為神經(jīng)保護(hù)性或神經(jīng)再生性。針對上述機(jī)制鏈的每一個事件，MSC和NSC衍生的外泌體治療都可對脊髓保護(hù)和再生產(chǎn)生有益影響。

· 針對神經(jīng)元細(xì)胞死亡

胰島素樣生長因子1（IGF-1）刺激的NSC衍生的外泌體可以抑制神經(jīng)元凋亡，同時通過miR-219a-2-3p/YY1途徑促進(jìn)SCI后的功能恢復(fù)?；蛘?，蛛網(wǎng)膜下腔注射NSC衍生外泌體可通過miR-374-5p/STK-4軸激活自噬來抑制神經(jīng)元細(xì)胞凋亡，從而增強(qiáng)SCI。使用MSC衍生外泌物探索其他形式的細(xì)胞死亡（例如，鐵蛋白脫失），并發(fā)現(xiàn)外泌體lncGm36569可以通過miR-5627-5p/FSP1軸抑制神經(jīng)元細(xì)胞鐵蛋白脫脫，從而減少神經(jīng)元功能障礙。

· 針對抗炎和免疫調(diào)節(jié)

MSC衍生的外泌體分次靜脈輸注可靶向M2巨噬細(xì)胞并上調(diào)TGF-β，從而穩(wěn)定微血管并改善功能恢復(fù)。同樣，除了缺氧增加骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的外泌物產(chǎn)生外，預(yù)處理外泌體miR-216a-5p還可通過TLR4/NF-κB/PI3K/Akt途徑改變小膠質(zhì)細(xì)胞M1/M2極化來修復(fù)創(chuàng)傷性脊髓損傷。硬膜外脂肪MSC衍生外泌體可減弱NLRP3炎癥小體并改善脊髓損傷的功能恢復(fù)，可以提供類似的抗炎作用。EPCs的外泌體miR-222-3p可以通過SOC3/JAK2/STAT3途徑促進(jìn)抗炎巨噬細(xì)胞，并改善SCI后的小鼠功能修復(fù)

· 靶向血管生成和血脊髓屏障（BSCB）完整性

使用未修飾的NSC衍生的外泌體，發(fā)現(xiàn)它們高度富集VEGF-A，因此可以增強(qiáng)脊髓微血管內(nèi)皮細(xì)胞（SCMEC）的血管生成活性。相比之下，用免疫調(diào)節(jié)劑和微血管調(diào)節(jié)劑FTY720修飾NSC衍生外泌體以通過PTEN/Akt途徑保護(hù)SCMEC的屏障功能，從而改善后肢功能。眾所周知，脊髓微血管血管內(nèi)皮和周細(xì)胞之間的連接對維持BSCB的結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。因此，外泌體療法在周細(xì)胞穩(wěn)態(tài)中的作用，骨髓MSC衍生的外泌體可以在體外減少周細(xì)胞焦下垂并提高周細(xì)胞存活率，同時在體內(nèi)改善BSCB的完整性和運動恢復(fù)。

· 針對神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)再生的其他方面，如神經(jīng)毒性星形膠質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)源性NSC的可持續(xù)性

人臍帶MSC衍生的外泌體可以通過靶向神經(jīng)毒性星形細(xì)胞促進(jìn)脊髓功能的恢復(fù)。來源于神經(jīng)生長因子（NGF）-過表達(dá)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的外泌體可以增強(qiáng)神經(jīng)干細(xì)胞的神經(jīng)元分化和軸突再生。來源于胎盤的MSC外泌體可促進(jìn)增殖的內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞活化，從而改善運動活動和膀胱功能障礙，這是一種常見的后遺癥，可能會進(jìn)一步惡化SCI患者的生活質(zhì)量。

四、肌肉和肌腱撕裂

肌肉和肌腱撕裂可由急性創(chuàng)傷（如骨折）或慢性過度使用（如運動損傷）引起。肌肉拉傷和肌腱撕裂的愈合遵循典型的傷口愈合過程，包括炎癥、增殖和重塑階段。已經(jīng)試驗了多種非手術(shù)策略來改善愈合，包括基于細(xì)胞和生長因子的治療。1驗證研究表明，MSC衍生的外泌體可能成為下一代肌肉骨骼治療。

· 專注于肌腱骨單元的各個組成部分

MSC衍生的外泌體可以改善C2C12成肌細(xì)胞的體外成肌和HUVECs的血管生成，同時在心臟毒素誘導(dǎo)的肌肉損傷模型中加速體內(nèi)骨骼肌再生。這些益處至少部分是由miR-494等miRNA介導(dǎo)的。在兔跟腱斷裂模型中，脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞的外泌體可以增強(qiáng)原代肌腱細(xì)胞的增殖和遷移，同時還可以通過上調(diào)decorin和biglycan來提高修復(fù)肌腱的機(jī)械強(qiáng)度。

· 肌腱-骨骼單元視為一個單一的功能系統(tǒng)，并使用肩袖撕裂作為疾病模型，這是患者尋求治療的常見的肩部疾病

研究人員使用脂肪MSC衍生的外泌體，在大鼠肩袖大面積撕裂模型中，外泌體治療可以防止肌肉萎縮、炎癥和血管化。在兔慢性肩袖撕裂模型中，外泌體治療可以防止脂肪浸潤并改善生物力學(xué)性能。骨髓MSC衍生的外泌體可以增加重建后肩袖的斷裂負(fù)荷和硬度，誘導(dǎo)肩袖終點周圍的血管生成，并促進(jìn)腱骨界面的生長。

五、其他骨科疾病

骨質(zhì)疏松癥是一種代謝性骨病，其特征是骨密度低和骨結(jié)構(gòu)弱化，這增加了骨折的風(fēng)險。細(xì)胞研究中，脂肪MSC衍生的外泌體可拮抗缺氧/血清剝奪誘導(dǎo)的骨細(xì)胞凋亡和骨細(xì)胞介導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成。進(jìn)一步的動物研究表明，臍帶MSC衍生的內(nèi)泌體可通過miR-1263/Mob1/Hippo途徑抑制骨髓MSC凋亡并預(yù)防廢用性骨質(zhì)疏松癥，并通過miR-2110和miR-328-3p改善脛骨密度和逆轉(zhuǎn)雌激素缺乏型骨質(zhì)疏松癥。

與SCI相比，周圍神經(jīng)損傷（如坐骨神經(jīng)損傷）要常見得多。隨后的神經(jīng)再生由神經(jīng)元和施旺細(xì)胞之間的相互作用控制，研究表明，脂肪MSC衍生的外泌體可通過增加體外軸突生長、體內(nèi)軸突再生和行走行為來靶向神經(jīng)元。脂肪MSC衍生外泌體可以通過促進(jìn)增殖來靶向雪旺細(xì)胞，神經(jīng)營養(yǎng)因子在體外的遷移和分泌，并恢復(fù)活體的去神經(jīng)支配肌肉萎縮。 LPS預(yù)處理的MSC衍生的外泌體可以通過在體外增強(qiáng)M2巨噬細(xì)胞的極化來靶向炎癥細(xì)胞，并加速活體的外周神經(jīng)再生。

椎間盤（IVD）變性是導(dǎo)致下背痛的主要原因，下背痛是全球殘疾患者總年數(shù)的主要損傷。其分子過程包括細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）變性、炎癥、氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡、衰老和自噬減少。外泌體治療的新興途徑試圖解決其中一些問題。椎間盤內(nèi)注射骨髓MSC衍生的外泌體可以通過外泌體miR-21.126抑制髓核細(xì)胞（NPC）凋亡并減輕IVD變性。另一方面，人ESC衍生的外泌體可以通過遞送miR-302c抑制NLRP3炎癥小體以減輕髓核細(xì)胞中的焦下垂。除了細(xì)胞死亡和線粒體損傷外，還發(fā)現(xiàn)MSC衍生的外泌體可抑制NPC中的氧化應(yīng)激。由于IVD變性和OA有一個共同的分子疾病譜，使用MSC衍生外泌體治療OA的陽性結(jié)果可作為IVD變性研究的參考。

骨壞死，又名股骨頭缺血性壞死（ONFH）是一種影響年輕人群的致殘性疾病，通常導(dǎo)致全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。糖皮質(zhì)激素（GC）誘導(dǎo)的骨壞死是股骨頭缺血性骨折常見的原因之一，其發(fā)病機(jī)制表現(xiàn)在兩個方面：股骨頭的血液供應(yīng)受損和成骨活性減弱。來源于iPSC的MSCs的外泌體可以通過PI3K/Akt途徑促進(jìn)血管生成和成骨，從而預(yù)防GC誘導(dǎo)的ONFH。