牛建明,馮疆鑫,杜志峰

作者單位： 067000 河北省承德市,承德醫(yī)學(xué)院(牛建明)

063210 河北省唐山市,華北理工大學(xué)(馮疆鑫)

067000 河北省承德市,承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院中醫(yī)骨傷科(杜志峰)

骨質(zhì)疏松癥(OP)是常見的骨性疾病,其特征是低骨量和骨微結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致骨強度降低,增加了骨折的發(fā)生風(fēng)險[1]。傳統(tǒng)的抗OP藥物在預(yù)防和治療OP方面是有效的,但也常伴隨各種不良反應(yīng),使得臨床開始尋求植物類藥物作為西藥的替代療法[2]。中藥(CHM)在治療OP方面已展示出安全、療效顯著等獨特優(yōu)勢。但CHM存在有效成分轉(zhuǎn)移率低、吸收率不高等缺點,尋找合適載體靶向運輸CHM有效成分成為當(dāng)務(wù)之急。近年來,外泌體(Exos)受到廣泛關(guān)注。Exos含有細胞特異的蛋白、脂質(zhì)和核酸,能夠作為信號分子傳遞給其他細胞,是細胞間信息傳遞的重要方式,可用于對OP的治療。此外,作為天然納米級載體,Exos具有免疫原性低、穩(wěn)定性好、靶向性強等獨特優(yōu)勢,可以對中藥進行有效遞送,達到精準治療OP的作用[3]。盡管Exos的出現(xiàn)為OP的治療提供了新的研究方向,但目前該領(lǐng)域研究仍處于起步階段,還有許多問題亟待解決。

1 Exos結(jié)構(gòu)及組成

Exos是由細胞分泌的特殊細胞外囊泡(EV)。EV包括凋亡小體、微囊泡及Exos,根據(jù)其生物發(fā)生、釋放途徑、大小、含量和功能進行分化[4]。Exos來源細胞種類異常豐富,可從血液、精液、唾液、腹水和母乳等多種體液中分離出[5]。Exos為脂質(zhì)雙層結(jié)構(gòu),能保護其內(nèi)容物免受核糖核酸酶降解,并有助于提高其在靶細胞中的生物效率[6]。正因為Exos來源廣泛,具有穩(wěn)定性、靶向性且包含特定細胞群的內(nèi)容物,因此在細胞分化、組織修復(fù)、平衡骨穩(wěn)態(tài)等方面都發(fā)揮了關(guān)鍵作用,Exos作為CHM遞送載體具有天然的優(yōu)勢。

2 OP發(fā)病機制中的Exos

正常的骨代謝依賴于成骨細胞(OB)和破骨細胞(OC)。OB介導(dǎo)骨形成,OC介導(dǎo)骨吸收,二者動態(tài)平衡構(gòu)成骨穩(wěn)態(tài)[7]。OP的發(fā)病機制是骨穩(wěn)態(tài)失衡,骨吸收大于骨形成。多種因素(如遺傳背景、年齡等)和信號通路(如MAPK、Wnt/β-catenin等)調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)[8]。Hu等[9]研究通過Exos膜表面展示趨化因子受體(CXCR4)使其靶向骨,并將其與攜帶antagomir-188的脂質(zhì)體融合。CXCR4+Exos-脂質(zhì)體雜合納米顆粒傾向于在骨髓中聚集并釋放antagomir-188,后者可促進成骨分化并抑制成脂分化,從而改善骨質(zhì)流失。該研究提供了一種基于Exos的骨靶向RNA遞送策略。由此可見,Exos是骨骼微環(huán)境的組成部分,其通過與靶細胞結(jié)合后將內(nèi)容物釋放到靶細胞中,介導(dǎo)細胞間通信,通過激活靶細胞內(nèi)的骨代謝相關(guān)信號通路,直接或間接影響靶細胞活性,從而調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)[10]。

不同細胞來源的Exos已被證明可以靶向不同的基因和蛋白參與調(diào)控間充質(zhì)干細胞、OB、OC和骨細胞,以此維持骨穩(wěn)態(tài)[11-12]。同時,Exos具有更高的安全性、靶向性、穩(wěn)定性,這在治療OP中極具前景[13]。

3 不同細胞來源Exos與OP

研究表明,包括MSCs在內(nèi)的多種細胞來源Exos可抑制炎癥、調(diào)控血管新生、促進骨修復(fù),在骨穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要作用。Exos逐漸成為OP研究方向的熱點。

3.1 骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSCs)來源Exos BMSCs具有廣泛增殖并保持分化成各種類型細胞的潛力。OP的發(fā)生與BMSCs來源Exos(BMSC-Exos)間存在潛在的功能相關(guān)性[14]。既往研究表明,BMSC-Exos可通過激活多種信號通路來緩解OP。Zuo等[12]發(fā)現(xiàn),放療輻射誘導(dǎo)的BMSC-Exos可以通過恢復(fù)受體BMSCs的功能并激活Wnt/β-catenin信號來恢復(fù)成脂與成骨分化之間的平衡,從而減輕放療輻射誘導(dǎo)的骨丟失。Xiao等[15]證明,來自周期性機械拉伸(CMS)處理的BMSC-Exos通過在體外減弱NF-κB信號通路活性來抑制OC生成,并改善了在HU小鼠模型中由去應(yīng)力負荷引起的骨丟失。此外,BMSC-Exos中包含多種生物活性分子,其中miRNA在基因表達與調(diào)控信號通路方面有著重要作用,因此受到眾多關(guān)注。有研究表明,BMSC-Exos miR-424-5p高表達可通過調(diào)節(jié)WIF1介導(dǎo)的Wnt/β-catenin信號通路減弱成骨作用[16]。Lu等[17]發(fā)現(xiàn),負載miRNA-29a的BMSC-Exos有促進小鼠血管生成和成骨的能力,這可能作為OP的潛在治療靶點。

盡管這些研究取得了振奮人心的結(jié)果,但目前只有少數(shù)BMSC-Exos在治療骨骼疾病方面進入了臨床。同時,更多關(guān)于治療效果,靶向信號通路和其他機制的證據(jù)仍需行進一步探索。

3.2 成骨與破骨細胞來源Exos OP的病理過程主要是由OB和OC分化之間的不平衡引起[18]。這種不平衡可以由Exos miRNA調(diào)節(jié)。Li等[19]證明,Exos miR-214-3p在OB和OC之間通訊具有重要功能。miR-214-3p可以從OC轉(zhuǎn)移到OB并抑制OB的形成。此外,通過靶向抑制OC衍生Exos(OC-Exos)miR-214-3p可以逆轉(zhuǎn)對OB活性的抑制并調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)。Yang等[20]通過實驗證明RUNX2是miR-23a-5p的靶基因,含miR-23a-5p的OC-Exos可通過抑制RUNX2的有效表達并促進YAP1介導(dǎo)的MT1DP來有效抑制成骨分化。Wang等[21]通過研究OB衍生Exos(OB-Exos)miR-503-3p在OC分化中的作用和分子機制,發(fā)現(xiàn)乙酰肝素酶基因(Hpse)是miR-503-3p的靶基因,并證實OB通過miR-503-3p/Hpse軸將Exos轉(zhuǎn)移到破骨細胞祖細胞上,從而促進了OC的分化。

這些觀察結(jié)果表明,OB-Exos、OC-Exos可通過不同信號分子進行細胞間通訊,并以此激活信號通路改變OB和OC的分化趨勢,調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)。

3.3 其他細胞來源Exos Lee等[22]發(fā)現(xiàn)高度富集骨保護素的脂肪組織來源干細胞EVs顯著抑制巨噬細胞的OC分化并促進BMSCs的遷移,miR-21-5p也可通過下調(diào)Acvr2a抑制OC分化,此外,let-7b-5p明顯降低與OC生成相關(guān)基因的表達。鐵死亡是一種新型細胞凋亡形式,參與了糖皮質(zhì)激素性骨質(zhì)疏松癥(GIOP)。Yang等[23]探討了內(nèi)皮細胞來源外泌體(EC-Exos)在GIOP中的作用。體內(nèi)和體外試驗表明,EC-EVs可抑制糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的OB鐵死亡途徑的激活,同時緩解細胞的氧化損傷。來自第四軍醫(yī)大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)前列腺癌細胞(PCa)衍生Exos(PCa-Exos)是調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵介質(zhì)[11]。其作用機制可能是由PCa-Exos遞送的miR-92a-1-5p通過直接靶向COL1A1下調(diào)I型膠原蛋白的表達,從而促進OC的分化和抑制OB的形成。

以上結(jié)果表明,不同細胞來源Exos可以表達出不同的miRNA,其通過各種信號通路或相關(guān)蛋白調(diào)節(jié)細胞分化來促進或抑制骨穩(wěn)態(tài),這在OP的病理過程和治療中具有重要作用。

4 Exos作為載體與中藥的聯(lián)系

與傳統(tǒng)載體相比,Exos在治療效果、靶向能力、低免疫應(yīng)答和安全性方面,尤其是穿越屏障(如細胞質(zhì)膜和血腦屏障)方面展現(xiàn)出更大優(yōu)勢。CHM主要來源于天然的植物、動物、礦物及其加工品,還包括部分生物、化學(xué)制品類藥物,其中以植物藥居多。有研究表明其單體活性成分具有更高的生物學(xué)活性和結(jié)構(gòu)多樣性,更易進入細胞發(fā)揮藥效,且毒性低和不良反應(yīng)少[24];現(xiàn)已被開發(fā)應(yīng)用于Exos遞送系統(tǒng)中,并發(fā)揮了良好作用。

姜黃素(Cur)可調(diào)節(jié)Tau蛋白磷酸化。Wang等[25]研究人員制備了小鼠巨噬細胞分泌的包含Cur的Exos(Exos-Cur),通過受體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)胞吞作用高效穿透血腦屏障以進入腦組織,并通過抑制AKT/GSK-3β相關(guān)的Tau蛋白磷酸化有效改善阿爾茨海默病小鼠的認知功能,展示出Exos負載Cur在治療中改善靶向藥物遞送的巨大潛力。González-Sarrías等[26]研究成功通過牛奶衍生Exos封裝Exo-Cur和白藜蘆醇,成功將Cur和Rsv輸送到乳腺組織,使其免受代謝影響并極大增強抗癌活性。除了作為Exos交付的內(nèi)容物外,最近研究發(fā)現(xiàn)CHM衍生的Exos也可以作為載體。Xu等[27]首次發(fā)現(xiàn),人參衍生Exos可作為一種高效安全的載體,將其所包含的活性miRNAs高效遞送給BMSCs,并進一步誘導(dǎo)其向神經(jīng)細胞分化,在體內(nèi)、體外均顯示出良好的加速神經(jīng)再生與傳導(dǎo)功能修復(fù)的效果。

如上所述,Exos由于其卓越的生物相容性而成為理想的CHM載體。目前,肉蓯蓉、芍藥、枸杞等CHM治療OP的效果已經(jīng)得到驗證[28-30]。探索Exos作為CHM載體治療OP的研究也已經(jīng)開始。淫羊藿苷可通過調(diào)節(jié)硬骨素和激活Wnt/β-Catenin信號通路促進BMSCs的成骨功能[31];但其溶解度低,滲透性低,生物利用度差。Dong等[32]首次使用胎牛血清(FBS)Exos攜帶Icariin(FBS Exo-Ica),FBS Exo-Ica比單獨使用Icariin更有效地促進OB的增殖和骨再生。FBS Exo-Ica可能成為治療骨質(zhì)流失相關(guān)疾病的新型納米級藥物配方,這也為Exos作為OP治療的CHM載體得到驗證。由此可見,基于Exos與CHM的獨特優(yōu)勢,這一研究領(lǐng)域?qū)⒕哂芯薮鬂摿Α?/p>

5 討論與展望

現(xiàn)階段,Exos在CHM遞送及OP治療中方面的表現(xiàn)令人振奮。但仍存在一些問題。首先,Exos的標準化生產(chǎn)、提純技術(shù)及成本問題是目前Exos臨床應(yīng)用上所面臨的難題;其次,CHM活性成分較復(fù)雜,對藥理功能和體內(nèi)轉(zhuǎn)運途徑的研究很少,將CHM有效成分充分加載到Exos中具有挑戰(zhàn)性;最后,Exos作為CHM靶向載體,優(yōu)化出更為高效的CHM加載方式,以及安全、精確的靶向裝置,是保證藥物療效的關(guān)鍵。相信隨著傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)與現(xiàn)代科技相結(jié)合,現(xiàn)有的局限性將得到解決,在精準醫(yī)療概念下,作為一種新的治療模式,Exos及其作為CHM載體在OP的治療中具有廣闊發(fā)展空間。

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