外泌体对骨骼再生的作用

外泌体对骨骼再生的作用

骨骼健康是一个日益严重的问题和公共卫生问题，在美国每年约有850万人发生骨折，而约379万人因骨密度低而面临高受伤风险。在骨重塑和骨折愈合过程中，破骨细胞重吸收旧的或受损的骨，而新骨则由成骨细胞合成。启动愈合级联反应，导致炎症细胞募集、新血管形成和骨折部位血肿。这些骨折的治疗包括自体和同种异体移植；然而，这些手术的恢复时间较长，因此增加了并发症的可能性。近年来，基于组织工程的生物材料和细胞疗法已成为治疗骨折的主要参与者。研究发现，基于细胞的疗法的生物学效应主要通过外泌体执行，因此，骨修复的外泌体调节已成为一种可行的治疗策略。外泌体由成骨细胞、破骨细胞、骨细胞和骨髓间充质干细胞等细胞类型分泌，已知这些细胞介导细胞通讯并参与骨微环境的调节。此外，大量研究证实了外泌体在骨重塑和骨折愈合中的潜在调节作用，表明外泌体可用作促进骨组织修复的个体化治疗策略。

来自各种来源的外泌体已被证明有益于骨骼修复。其中最主要的是MSC-Exos，它在通过microRNA调控诱导骨分化活性方面发挥着有希望的作用。从脂肪组织MSCs获得的外泌体，用TNF-α预处理，通过调节Wnt途径促进原发性成骨细胞分化。另外，源自矿化成骨细胞的外泌体通过直接调节成骨细胞增殖和通过介导miRNA谱刺激成骨细胞前体分化为成熟成骨细胞来促进新骨生长。这相继激活了骨形成和基质矿化的下游信号通路。另一组报道，从人诱导的多能干细胞来源的MSC中分离的外泌体通过激活PI3K/AKT途径有效增强β-TCP的骨诱导性。此外，该研究表明，在免疫功能正常的大鼠骨软骨缺陷模型中，MSC-Exos通过增强早期细胞浸润和增殖、诱导滑膜巨噬细胞极化并表现出抗凋亡活性来促进软骨再生。

骨重塑是一个持久的过程，其中外泌体可以发挥关键的调节作用。来源于成骨细胞的外泌体刺激体内破骨细胞的分化，因此外泌体治疗可用于增强受损组织的去除。还发现，在CD9股骨骨折模型中，缺乏外泌体产生的小鼠，愈伤组织形成延迟，导致骨愈合缓解。MSC-Exos给药为外泌体在骨修复中的有益作用提供了进一步的支持，挽救了这种延迟修复。同一项研究进一步解释说，与从预处理培养基中培养的间充质干细胞中分离的外泌体相比，对照外泌体被剥夺了骨修复相关的细胞因子，如单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）、MCP-3和基质细胞衍生因子-1。在大鼠骨软骨缺损模型中，人胚胎MSC-Exos的关节内给药诱导大体外观增强和组织学评分改善；治疗12周后，软骨和软骨下骨完全恢复。此外，研究表明，过度激活的炎症反应或炎症衰减分别导致骨组织损伤或坏死组织积聚。MSC-Exos通过有效抑制促炎因子IL-1β和TNF-α的水平来减少基于炎症的骨折愈合延迟，而抗炎因子TGF-β的水平升高。

血管形成是骨形成中的一个重要事件，因为它可以改善对新骨形成至关重要的氧气和营养成分的扩散。各种报告已经证明外泌体参与内皮细胞（ECs）的活动，包括迁移，增殖和管形成。来源于内皮祖细胞的外泌体通过激活人脐静脉内皮细胞和人哺乳动物EC中的eNOS和PI3K/AKT途径，在体外和体内诱导血管样结构的形成。此外，MSC-Exos在血管生成中的贡献已得到充分证实。研究人员已经表明，MSC-Exos被内化到基于组织工程的基质中，从而产生促血管生成和促骨活性，这表明外泌体可能调节协同骨再生并增强血管生成。此外，一项体内研究显示，给予骨质疏松大鼠的MSC-Exos在给药后407周血管生成和成骨升高。然而，血管生成和成骨的耦合机制尚不清楚。

骨病修复的主要作用机制是通过microRNA活性和调节，其中许多已在外泌体中鉴定。例如，研究人员已经发现miR-199b参与Runx 2的调节，Runx 391是成骨细胞和骨细胞分化的主转录因子。Let-2通过下调高迁移率组AT-hook 408表达来正调节成骨和新骨形成，而miR-409b水平上调显着抑制MSCs的成骨分化。在人间充质干细胞和人无限制体细胞中，miR-410下调均可刺激成骨分化。miR-411在提高骨折愈合率方面的关键作用在大鼠闭合股骨骨折模型中也得到了证实。富含miR-7的外泌体具有抗凋亡特性，可通过调节小母亲对抗双瘫7（Smad3）和调节PI412K/β-连环蛋白途径来促进成骨细胞生成。外泌体也可以作为生物标志物，因为在成骨过程中发现了MSC-Exos中改变的miRNA谱。因此，富含miRNA、细胞因子或生长因子等特定因子的外泌体中的特化货物参与在骨修复和诊断过程中起着至关重要的作用。这些集体数据和积极的结果为基于外泌体的协同治疗骨折愈合提供了新的见解。

（ANEXT安龄生物科技研发中心）