外泌体与中药治疗骨质疏松症的研究进展

牛建明,冯疆鑫,杜志峰

作者单位： 067000 河北省承德市,承德医学院(牛建明)

063210 河北省唐山市,华北理工大学(冯疆鑫)

067000 河北省承德市,承德医学院附属医院中医骨伤科(杜志峰)

骨质疏松症(OP)是常见的骨性疾病,其特征是低骨量和骨微结构损伤导致骨强度降低,增加了骨折的发生风险[1]。传统的抗OP药物在预防和治疗OP方面是有效的,但也常伴随各种不良反应,使得临床开始寻求植物类药物作为西药的替代疗法[2]。中药(CHM)在治疗OP方面已展示出安全、疗效显著等独特优势。但CHM存在有效成分转移率低、吸收率不高等缺点,寻找合适载体靶向运输CHM有效成分成为当务之急。近年来,外泌体(Exos)受到广泛关注。Exos含有细胞特异的蛋白、脂质和核酸,能够作为信号分子传递给其他细胞,是细胞间信息传递的重要方式,可用于对OP的治疗。此外,作为天然纳米级载体,Exos具有免疫原性低、稳定性好、靶向性强等独特优势,可以对中药进行有效递送,达到精准治疗OP的作用[3]。尽管Exos的出现为OP的治疗提供了新的研究方向,但目前该领域研究仍处于起步阶段,还有许多问题亟待解决。

1 Exos结构及组成

Exos是由细胞分泌的特殊细胞外囊泡(EV)。EV包括凋亡小体、微囊泡及Exos,根据其生物发生、释放途径、大小、含量和功能进行分化[4]。Exos来源细胞种类异常丰富,可从血液、精液、唾液、腹水和母乳等多种体液中分离出[5]。Exos为脂质双层结构,能保护其内容物免受核糖核酸酶降解,并有助于提高其在靶细胞中的生物效率[6]。正因为Exos来源广泛,具有稳定性、靶向性且包含特定细胞群的内容物,因此在细胞分化、组织修复、平衡骨稳态等方面都发挥了关键作用,Exos作为CHM递送载体具有天然的优势。

2 OP发病机制中的Exos

正常的骨代谢依赖于成骨细胞(OB)和破骨细胞(OC)。OB介导骨形成,OC介导骨吸收,二者动态平衡构成骨稳态[7]。OP的发病机制是骨稳态失衡,骨吸收大于骨形成。多种因素(如遗传背景、年龄等)和信号通路(如MAPK、Wnt/β-catenin等)调节骨稳态[8]。Hu等[9]研究通过Exos膜表面展示趋化因子受体(CXCR4)使其靶向骨,并将其与携带antagomir-188的脂质体融合。CXCR4+Exos-脂质体杂合纳米颗粒倾向于在骨髓中聚集并释放antagomir-188,后者可促进成骨分化并抑制成脂分化,从而改善骨质流失。该研究提供了一种基于Exos的骨靶向RNA递送策略。由此可见,Exos是骨骼微环境的组成部分,其通过与靶细胞结合后将内容物释放到靶细胞中,介导细胞间通信,通过激活靶细胞内的骨代谢相关信号通路,直接或间接影响靶细胞活性,从而调节骨稳态[10]。

不同细胞来源的Exos已被证明可以靶向不同的基因和蛋白参与调控间充质干细胞、OB、OC和骨细胞,以此维持骨稳态[11-12]。同时,Exos具有更高的安全性、靶向性、稳定性,这在治疗OP中极具前景[13]。

3 不同细胞来源Exos与OP

研究表明,包括MSCs在内的多种细胞来源Exos可抑制炎症、调控血管新生、促进骨修复,在骨稳态中发挥着重要作用。Exos逐渐成为OP研究方向的热点。

3.1 骨髓间充质干细胞(BMSCs)来源Exos BMSCs具有广泛增殖并保持分化成各种类型细胞的潜力。OP的发生与BMSCs来源Exos(BMSC-Exos)间存在潜在的功能相关性[14]。既往研究表明,BMSC-Exos可通过激活多种信号通路来缓解OP。Zuo等[12]发现,放疗辐射诱导的BMSC-Exos可以通过恢复受体BMSCs的功能并激活Wnt/β-catenin信号来恢复成脂与成骨分化之间的平衡,从而减轻放疗辐射诱导的骨丢失。Xiao等[15]证明,来自周期性机械拉伸(CMS)处理的BMSC-Exos通过在体外减弱NF-κB信号通路活性来抑制OC生成,并改善了在HU小鼠模型中由去应力负荷引起的骨丢失。此外,BMSC-Exos中包含多种生物活性分子,其中miRNA在基因表达与调控信号通路方面有着重要作用,因此受到众多关注。有研究表明,BMSC-Exos miR-424-5p高表达可通过调节WIF1介导的Wnt/β-catenin信号通路减弱成骨作用[16]。Lu等[17]发现,负载miRNA-29a的BMSC-Exos有促进小鼠血管生成和成骨的能力,这可能作为OP的潜在治疗靶点。

尽管这些研究取得了振奋人心的结果,但目前只有少数BMSC-Exos在治疗骨骼疾病方面进入了临床。同时,更多关于治疗效果,靶向信号通路和其他机制的证据仍需行进一步探索。

3.2 成骨与破骨细胞来源Exos OP的病理过程主要是由OB和OC分化之间的不平衡引起[18]。这种不平衡可以由Exos miRNA调节。Li等[19]证明,Exos miR-214-3p在OB和OC之间通讯具有重要功能。miR-214-3p可以从OC转移到OB并抑制OB的形成。此外,通过靶向抑制OC衍生Exos(OC-Exos)miR-214-3p可以逆转对OB活性的抑制并调节骨稳态。Yang等[20]通过实验证明RUNX2是miR-23a-5p的靶基因,含miR-23a-5p的OC-Exos可通过抑制RUNX2的有效表达并促进YAP1介导的MT1DP来有效抑制成骨分化。Wang等[21]通过研究OB衍生Exos(OB-Exos)miR-503-3p在OC分化中的作用和分子机制,发现乙酰肝素酶基因(Hpse)是miR-503-3p的靶基因,并证实OB通过miR-503-3p/Hpse轴将Exos转移到破骨细胞祖细胞上,从而促进了OC的分化。

这些观察结果表明,OB-Exos、OC-Exos可通过不同信号分子进行细胞间通讯,并以此激活信号通路改变OB和OC的分化趋势,调节骨稳态。

3.3 其他细胞来源Exos Lee等[22]发现高度富集骨保护素的脂肪组织来源干细胞EVs显著抑制巨噬细胞的OC分化并促进BMSCs的迁移,miR-21-5p也可通过下调Acvr2a抑制OC分化,此外,let-7b-5p明显降低与OC生成相关基因的表达。铁死亡是一种新型细胞凋亡形式,参与了糖皮质激素性骨质疏松症(GIOP)。Yang等[23]探讨了内皮细胞来源外泌体(EC-Exos)在GIOP中的作用。体内和体外试验表明,EC-EVs可抑制糖皮质激素诱导的OB铁死亡途径的激活,同时缓解细胞的氧化损伤。来自第四军医大学研究人员发现前列腺癌细胞(PCa)衍生Exos(PCa-Exos)是调节骨稳态的关键介质[11]。其作用机制可能是由PCa-Exos递送的miR-92a-1-5p通过直接靶向COL1A1下调I型胶原蛋白的表达,从而促进OC的分化和抑制OB的形成。

以上结果表明,不同细胞来源Exos可以表达出不同的miRNA,其通过各种信号通路或相关蛋白调节细胞分化来促进或抑制骨稳态,这在OP的病理过程和治疗中具有重要作用。

4 Exos作为载体与中药的联系

与传统载体相比,Exos在治疗效果、靶向能力、低免疫应答和安全性方面,尤其是穿越屏障(如细胞质膜和血脑屏障)方面展现出更大优势。CHM主要来源于天然的植物、动物、矿物及其加工品,还包括部分生物、化学制品类药物,其中以植物药居多。有研究表明其单体活性成分具有更高的生物学活性和结构多样性,更易进入细胞发挥药效,且毒性低和不良反应少[24];现已被开发应用于Exos递送系统中,并发挥了良好作用。

姜黄素(Cur)可调节Tau蛋白磷酸化。Wang等[25]研究人员制备了小鼠巨噬细胞分泌的包含Cur的Exos(Exos-Cur),通过受体介导的转胞吞作用高效穿透血脑屏障以进入脑组织,并通过抑制AKT/GSK-3β相关的Tau蛋白磷酸化有效改善阿尔茨海默病小鼠的认知功能,展示出Exos负载Cur在治疗中改善靶向药物递送的巨大潜力。González-Sarrías等[26]研究成功通过牛奶衍生Exos封装Exo-Cur和白藜芦醇,成功将Cur和Rsv输送到乳腺组织,使其免受代谢影响并极大增强抗癌活性。除了作为Exos交付的内容物外,最近研究发现CHM衍生的Exos也可以作为载体。Xu等[27]首次发现,人参衍生Exos可作为一种高效安全的载体,将其所包含的活性miRNAs高效递送给BMSCs,并进一步诱导其向神经细胞分化,在体内、体外均显示出良好的加速神经再生与传导功能修复的效果。

如上所述,Exos由于其卓越的生物相容性而成为理想的CHM载体。目前,肉苁蓉、芍药、枸杞等CHM治疗OP的效果已经得到验证[28-30]。探索Exos作为CHM载体治疗OP的研究也已经开始。淫羊藿苷可通过调节硬骨素和激活Wnt/β-Catenin信号通路促进BMSCs的成骨功能[31];但其溶解度低,渗透性低,生物利用度差。Dong等[32]首次使用胎牛血清(FBS)Exos携带Icariin(FBS Exo-Ica),FBS Exo-Ica比单独使用Icariin更有效地促进OB的增殖和骨再生。FBS Exo-Ica可能成为治疗骨质流失相关疾病的新型纳米级药物配方,这也为Exos作为OP治疗的CHM载体得到验证。由此可见,基于Exos与CHM的独特优势,这一研究领域将具有巨大潜力。

5 讨论与展望

现阶段,Exos在CHM递送及OP治疗中方面的表现令人振奋。但仍存在一些问题。首先,Exos的标准化生产、提纯技术及成本问题是目前Exos临床应用上所面临的难题;其次,CHM活性成分较复杂,对药理功能和体内转运途径的研究很少,将CHM有效成分充分加载到Exos中具有挑战性;最后,Exos作为CHM靶向载体,优化出更为高效的CHM加载方式,以及安全、精确的靶向装置,是保证药物疗效的关键。相信随着传统医学与现代科技相结合,现有的局限性将得到解决,在精准医疗概念下,作为一种新的治疗模式,Exos及其作为CHM载体在OP的治疗中具有广阔发展空间。

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