劉勃彤,劉東哲,陳秀慧
外泌體(exosomes)是由活細胞釋放的納米級小囊泡,可通過其攜帶的生物學(xué)信息介導(dǎo)細胞間通訊,參與調(diào)控多種生理及病理過程。同時,作為一種納米級顆粒,外泌體能夠穿過血腦屏障等生物學(xué)屏障,到達靶器官發(fā)揮作用。隨著對外泌體研究的逐步深入,學(xué)者們發(fā)現(xiàn)了其極大的研究潛能和實用價值,尤其在疾病診斷和治療上的獨特價值越發(fā)受到關(guān)注,因此成為了當(dāng)前的研究熱點。月經(jīng)血干細胞來源外泌體(menstrual blood stem cell-derived exosomes,MenSC-Ex)具有細胞來源無創(chuàng)、應(yīng)用無倫理學(xué)問題和免疫原性低等優(yōu)勢而極富研究潛力和應(yīng)用前景。近年來研究發(fā)現(xiàn),MenSC-Ex 在組織修復(fù)與再生、腫瘤進程調(diào)控以及生殖醫(yī)學(xué)等方向均表現(xiàn)出卓越的干預(yù)作用。
外泌體是由活細胞釋放的攜帶微小RNA(microRNA,miRNA)/長鏈非編碼RNA(long noncoding,lncRNA)、分泌蛋白和核酸變異體等成分的小囊泡(直徑40~160 nm)[1]。在生物體內(nèi),外泌體通過其攜帶的遺傳信息參與細胞信號傳導(dǎo),調(diào)控多種生理、病理過程。一方面,它可以作為“液體活檢”的目標(biāo),提供其來源細胞的生物學(xué)信息;另一方面,它與免疫反應(yīng)、心血管疾病、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和癌癥等多種疾病的發(fā)生、發(fā)展相關(guān)[1-2],因此成為當(dāng)前研究的熱點。由于外泌體在細胞內(nèi)含量極低[3],其相關(guān)研究往往需要培養(yǎng)大量細胞才能獲得研究所需量。因此,尋找理想的細胞源成為外泌體研究中的關(guān)鍵。干細胞具有強大的自我更新能力和多向分化潛能,在再生醫(yī)學(xué)和移植學(xué)中潛力巨大,然而免疫排斥反應(yīng)等問題影響了干細胞治療的效果[4]。如果能夠應(yīng)用攜帶干細胞有效信息的低免疫源性的外泌體進行“無細胞”治療,則可降低活細胞移植的免疫排斥、栓塞和成瘤等風(fēng)險;同時,干細胞的高增殖力又能保證獲取足量的滿足研究所需的外泌體。由此可見,干細胞來源的外泌體極富研究潛力和應(yīng)用價值。
間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cell,MSC)是一種多能干細胞,具有干細胞的基本生物學(xué)特性,即自我更新和多向分化潛能[5]。目前,MSC 多是從骨髓、脂肪、臍帶和胎盤等組織中獲得,其中對于骨髓間充質(zhì)干細胞(bone marrow mesenchymal stem cell,bM-MSC)的研究最為深入。在與MSC 相關(guān)的“無細胞”治療中,bM-MSC 來源外泌體(bone marrow mesenchymal stem cell-derived exosomes,bM-MSC-Ex)亦備受關(guān)注。如利用bM-MSC-Ex調(diào)節(jié)衰老相關(guān)胰島素抵抗[6]、促進骨折恢復(fù)和成骨細胞分化[7]等,在重癥新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)的治療中bM-MSC-Ex也表現(xiàn)出積極的作用[8]。然而,獲取bM-MSC 的有創(chuàng)過程制約了其廣泛應(yīng)用。2007 年,Meng 等[9]在人類月經(jīng)血中發(fā)現(xiàn)了一類具有干細胞特征的細胞群,稱之為月經(jīng)血干細胞(menstrual blood stem cell,MenSC)。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn),與骨髓或其他來源的干細胞相比,MenSC 不但取材過程簡單、無創(chuàng),應(yīng)用不存在倫理問題,而且在合成、分泌細胞因子等方面亦具有顯著優(yōu)勢[10]。那么,作為一種易于獲得、具有高度增殖能力的干細胞,MenSC 是否有可能成為高效的供體細胞,為科學(xué)研究及治療提供優(yōu)質(zhì)且性狀穩(wěn)定的外泌體呢?
MenSC-Ex 攜帶了其來源細胞——MenSC 的豐富的遺傳信息,并對這些信息進行了高效富集,能夠調(diào)控包括凋亡、炎癥和免疫在內(nèi)的多種生物過程,靶向發(fā)揮作用。對于MenSC-Ex 對多種疾病的探索性研究發(fā)現(xiàn),除了極有可能成為一種新型干預(yù)手段以外,其特殊的納米級脂質(zhì)雙分子層結(jié)構(gòu)亦使其極富潛力成為一種新型藥物載體,在“無細胞”和精準(zhǔn)靶向治療上發(fā)揮積極的作用。
3.1 MenSC-Ex 與組織再生MSC 來源的外泌體能夠通過抑制外周血單個核細胞的增殖,降低細胞凋亡和炎癥反應(yīng),促進內(nèi)源性神經(jīng)元的生長和突觸連接[11]。比較不同來源的MSC 所分泌的外泌體對神經(jīng)元生長的作用后發(fā)現(xiàn),MenSC-Ex 對背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元突起生長的影響與bM-MSC-Ex 相當(dāng),而對皮層神經(jīng)元最長軸突生長的促進作用優(yōu)于bM-MSCEx[12]。可見,MenSC-Ex 對大腦皮層神經(jīng)突起的生長具有更好的促進效果。這一研究對于治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的MSC 及其衍生物的選擇具有重要指導(dǎo)意義。
特發(fā)性肺纖維化好發(fā)于中老年人群,是一種以肺組織不可逆纖維化為特征的慢性進展性疾病。該病預(yù)后差、病死率高,在美國65 歲及以上人群中,中位生存期僅為2~3 年[13]。已有研究發(fā)現(xiàn)MenSC 能夠通過抑制免疫和抗纖維化作用逆轉(zhuǎn)急性肺損傷[14]。Sun 等[15]發(fā)現(xiàn),在大鼠特發(fā)性肺纖維化模型中,從月經(jīng)血中獲得的外泌體能夠顯著改善博萊霉素(Bleomycin,BLM)介導(dǎo)的肺纖維化和肺泡上皮損傷。介導(dǎo)這一調(diào)控過程的關(guān)鍵元件是MenSC-Ex 所攜帶的miRNA let-7。通過靶向LOX1調(diào)節(jié)NLRP3 信號,let-7 能夠阻斷活性氧(reactive oxygen species,ROS)的活化,減少DNA 損傷和細胞凋亡,同時抑制炎癥反應(yīng)的激活。這些發(fā)現(xiàn)為研究MenSC-Ex 在特發(fā)性肺纖維化臨床治療中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
1 型糖尿病是由免疫介導(dǎo)的胰島β 細胞團丟失所導(dǎo)致的胰島素終身依賴性疾病,調(diào)控免疫反應(yīng)可能是其治療的關(guān)鍵。已有研究發(fā)現(xiàn)MSC 能夠通過抑制自身免疫促進胰島細胞再生[5],然而,這一治療方法亦存在干細胞治療的普遍安全問題。為了規(guī)避安全隱患,Mahdipour 等[16]應(yīng)用從月經(jīng)血中分離的外泌體對1 型糖尿病進行干預(yù)。在體外和體內(nèi)實驗中發(fā)現(xiàn),MenSC-Ex 能夠恢復(fù)β 細胞團的再生并促進胰島素的合成,在接受MenSC-Ex 治療后,胰腺十二指腸同源盒1(pancreatic and duodenal homeobox 1,PDX-1)表達量明顯增加,而Pdx-1 是具有促進β 細胞再生、成熟和胰島素合成作用的重要細胞因子。
3.2 MenSC-Ex 與組織修復(fù)傷口愈合是涉及多種機制的復(fù)雜過程。近年來,“細胞療法”在皮膚組織修復(fù)的研究中備受青睞,已有多種細胞被應(yīng)用于臨床試驗,而MSC 來源的外泌體因具有免疫調(diào)節(jié)和再生功能亦備受關(guān)注[17]。糖尿病患者體內(nèi)存在多重病理機制干擾創(chuàng)傷愈合,因此,這一人群的傷口愈合成為創(chuàng)傷修復(fù)領(lǐng)域亟待解決的難題。Dalirfardouei 等[18]研究發(fā)現(xiàn),MenSC-Ex 能夠通過旁分泌途徑促進糖尿病小鼠的傷口愈合。應(yīng)用鏈脲佐菌素在糖尿病小鼠背部構(gòu)建皮膚全層損傷模型,外源性MenSC-Ex通過誘導(dǎo)巨噬細胞的M1-M2 極化改善了炎癥狀態(tài),并通過降低Col1/Col3 比值減少瘢痕形成,進而促進傷口愈合過程,改善愈合結(jié)局。
暴發(fā)性肝功能衰竭(fulminant hepatic failure,F(xiàn)HF)是一種急危重癥,起病急、進展迅速且死亡率高。一項關(guān)于FHF 的研究發(fā)現(xiàn),在接受MenSC-Ex 移植后,包括細胞間黏附分子1(intercellular cell adhesion molecule-1,ICAM-1)、血管生成素(angiogenin,ANG)、白細胞介素6(Interleukin-6,IL-6)等在內(nèi)的多種修復(fù)性因子均呈高表達[19]。在小鼠FHF 模型體內(nèi),靜脈注入的MenSC-Ex 能夠遷移至肝臟,靶向作用于損傷的肝細胞,使得單核細胞數(shù)量減少、活性凋亡蛋白半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3(Caspase3)表達下調(diào),進而修復(fù)損傷、改善肝功能和提高存活率。這一研究證實了MenSC-Ex 的抗凋亡作用,使應(yīng)用MenSC-Ex修復(fù)FHF 成為可能;同時亦揭示了MenSC-Ex 的“靶向”工作機制,顯示出外泌體精準(zhǔn)治療的優(yōu)勢。
宮腔粘連(intrauterine adhesion,IUA)是由于子宮內(nèi)膜基底層損傷而導(dǎo)致的宮腔內(nèi)粘連,表現(xiàn)為月經(jīng)量減少甚至閉經(jīng),最終導(dǎo)致不孕[20]。IUA 治療手段有限、復(fù)發(fā)率高,是棘手的臨床問題。Saribas 等[21]應(yīng)用與MenSC 特征相似的子宮內(nèi)膜MSC 對IUA 進行了干預(yù)性研究。在接受了從子宮內(nèi)膜MSC 中獲得的外泌體治療后,組織內(nèi)基質(zhì)金屬蛋白酶2(matrix metalloproteinase-2,MMP-2)和MMP-9 表達顯著上調(diào),促進子宮內(nèi)膜細胞增殖和局部血管再生,同時降低纖維化,發(fā)揮了積極的修復(fù)作用。該研究同時發(fā)現(xiàn),子宮內(nèi)膜MSC-Ex 對IUA 的修復(fù)效果明顯優(yōu)于子宮內(nèi)膜MSC,提示外泌體對子宮內(nèi)膜MSC 內(nèi)的生物信息進行了富集,因此治療作用更為高效。
3.3 MenSC-Ex 與腫瘤血管生成是腫瘤發(fā)生、發(fā)展的重要過程,因此抗血管生成是當(dāng)前腫瘤靶向治療的主要途徑之一[22]。外泌體多通過血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)相關(guān)通路實現(xiàn)對腫瘤血管生成的調(diào)控[23]。Alcayaga-Miranda等[24]發(fā)現(xiàn),MenSC-Ex 能夠降低前列腺癌細胞內(nèi)ROS的合成,進而作用于核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)和VEGF 通路,抑制VEGF、缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)等ROS 依賴性促血管生成因子的合成,從而抑制腫瘤血管生成、控制腫瘤生長。此項研究同時發(fā)現(xiàn),bM-MSC-Ex對前列腺癌細胞的血管生成呈現(xiàn)促進作用,表現(xiàn)為促血管生成因子的高表達。Rosenberger 等[25]發(fā)現(xiàn),在倉鼠頰囊癌(口腔鱗狀細胞癌)模型中,MenSC-Ex 能夠抑制腫瘤細胞的VEGF 分泌,并對內(nèi)皮細胞產(chǎn)生細胞毒性作用,誘導(dǎo)內(nèi)皮細胞凋亡,從而干預(yù)腫瘤脈管系統(tǒng)的重建,抑制腫瘤生長。由此可見,MenSC-Ex的抗血管生成作用,可能賦予其獨特的潛力,為腫瘤的抗血管生成治療開辟新的路徑。
3.4 MenSC-Ex 與生殖不孕癥是持續(xù)存在并越發(fā)引起學(xué)者關(guān)注的全球性生殖問題,如何提高體外受精-胚胎移植的成功率、改善輔助生殖的妊娠結(jié)局一直是研究熱點所在。Blázquez 等[26]發(fā)現(xiàn),子宮內(nèi)膜MSC 分泌的外泌體能夠使體外培養(yǎng)的囊胚總細胞數(shù)增加,提高胚胎血管生成因子A 的分泌,進而促進子宮內(nèi)膜血管生成和組織重塑,改善體外受精的妊娠結(jié)局。該研究證實了子宮內(nèi)膜MSC 分泌的外泌體對胚胎發(fā)育的促進作用,為其在生殖醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
早發(fā)性卵巢功能不全(premature ovarian insufficiency,POI)是影響女性生育力的主要原因之一,只有約5%的患者可能由于疾病自然緩解而獲得妊娠。當(dāng)前,恢復(fù)卵巢儲備和激活休眠卵泡是POI 治療的常用策略,而不同來源的干細胞亦是可能的治療選擇[27]。Zhang 等[28]研究發(fā)現(xiàn)MenSC-Ex 對POI 表現(xiàn)出積極的干預(yù)作用:體外培養(yǎng)的SD 大鼠卵巢在接受MenSC-Ex 治療后,始基卵泡和初級卵泡中的顆粒細胞明顯增殖,同時卵泡凋亡明顯受到抑制。在由四乙烯基環(huán)己烯二環(huán)氧化物誘導(dǎo)構(gòu)建的POI 大鼠模型中,MenSCs-Ex 有效逆轉(zhuǎn)了藥物毒性導(dǎo)致的卵巢功能不全,表現(xiàn)為顯著促進卵泡發(fā)育,恢復(fù)體內(nèi)激素水平;同時,調(diào)控卵巢細胞外基質(zhì)構(gòu)成,加速休眠卵泡的募集,進而促進顆粒細胞的增殖,改善妊娠結(jié)局。研究同時發(fā)現(xiàn),多次應(yīng)用MenSC-Ex 全身治療的效果與卵泡內(nèi)MenSC 移植相當(dāng),這也為利用無細胞生物資源恢復(fù)卵巢功能提供了重要理論依據(jù)。
MenSC-Ex 憑借著取材過程簡單無創(chuàng)、細胞來源豐富、應(yīng)用不存在倫理問題等諸多優(yōu)勢,受到研究者的廣泛關(guān)注并已在組織再生與修復(fù)、腫瘤和生殖醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域取得了一定的研究進展。然而在逐步深入地對MenSC-Ex 展開研究直至引入臨床治療的過程中,仍存在諸多問題有待解決。例如,當(dāng)前外泌體的提取效率較低,如何優(yōu)化方法、提高效率,是保證研究所需外泌體的關(guān)鍵。對于MenSC-Ex 的具體工作機制,尚缺乏系統(tǒng)性的深入研究。明確MenSC-Ex 與MenSC 在遺傳信息上的差異,是進一步了解MenSC-Ex 的功能并挖掘其治療作用的重要基礎(chǔ)。此外,體外研究的可重復(fù)性和體內(nèi)研究的安全性尚需大量研究進一步論證。
前期研究顯示,MenSC-Ex 對多種疾病表現(xiàn)出積極的干預(yù)作用,對于其治療價值的挖掘有待更多的研究探索。而除了通過介導(dǎo)細胞間通訊調(diào)控靶細胞的生物學(xué)功能以外,外泌體特定的分子質(zhì)量和天然的納米脂質(zhì)雙分子層結(jié)構(gòu)亦使得其有可能成為高效的納米顆粒遞送系統(tǒng),承載藥物及生物分子通過人體生物屏障,靶向發(fā)揮治療作用[29]。已有研究發(fā)掘了多種其他細胞來源的外泌體作為藥物載體的可能性[30-31],而無創(chuàng)來源的MenSC-Ex 是否更具優(yōu)勢,值得進一步探索。在“無創(chuàng)”和“精準(zhǔn)”的醫(yī)療研究理念指引下,隨著研究的逐步深入,定能挖掘出MenSCEx 更多的研究潛能和實用價值,使其在“無細胞”治療中發(fā)揮更大的作用。