幹細胞外泌體還能幹這事？修復骨損傷它也有一份

外泌體（Exo）是一種經細胞內體途徑生成並釋放到細胞外的囊性小泡，由磷脂雙層膜包被，其內包裹脂質、蛋白質、核酸等多種生物活性物質，電鏡下觀察呈杯狀，是參與細胞間物質轉運與資訊傳遞的重要角色。

包括幹細胞在內的幾乎所有細胞都能分泌外泌體，並釋放入細胞外環境中，如細胞培養上清液，以及各種體液，包括血液、淋巴液、腦脊液、唾液、尿液、羊水等。新近研究表明，外泌體在細胞間訊號通訊中發揮重要作用，具有免疫調節、促進血管再生、以及介導細胞增殖、分化、遷移、凋亡等功能，維持機體的正常生理狀態與參與疾病程序。其中間充質幹細胞來源外泌體具有來源細胞特性，能促進受損區域細胞自我修復與組織再生，恢復組織內穩態。今天我們就來重點介紹幹細胞外泌體是如何修復骨損傷的。

軟骨修復與治療關節炎

間充質幹細胞源性外泌體富含的多種酶類，具有在生物能量代謝、細胞數量和免疫調節等方面恢復細胞內穩態的潛能。研究表明，間充質幹細胞源性外泌體能分泌促進軟骨細胞增殖和基質合成的因子，維持微環境的“穩態”，有效促進軟骨修復和再生，並已在動物研究以及最近的人體臨床試驗得到證實。

此外，幹細胞源性外泌體攜帶遺傳物質也能調控軟骨細胞修復，例如干細胞源性外泌體中的miR-23b、

miR-92a

促進軟骨細胞增殖；

miR-125b

和

miR-320

則在軟骨細胞基質合成中發揮作用；過表達

miR-140-5p

的滑膜間充質幹細胞來源外泌體可增強軟骨組織再生。

Tao

等研究發現，過度表達

miR-140-5p

滑膜間充質幹細胞（

SMSC-140s

）的外泌體在骨關節炎大鼠模型中可有效治療骨關節炎。間充質幹細胞外泌體因其抗纖維化、抗凋亡、免疫調節功能，在骨關節炎、風溼性關節炎等疾病中的治療作用將有著巨大的臨床應用前景。

Wang等研究表明，關節腔內注射間充質幹細胞源性外泌體能減輕小鼠半月板切除骨性關節炎模型的軟骨細胞破壞和細胞外基質降解。

Cosenza等證實，小鼠骨髓間充質幹細胞源性外泌體透過重建軟骨細胞穩態保護軟骨細胞免於凋亡，以及刺激巨噬細胞極化達到抗炎作用。骨髓、滑膜、脂肪等不同幹細胞源性外泌體對軟骨修復有類似的作用。

Zhu等比較多能幹細胞和滑膜幹細胞源性外泌體在膠原酶誘導的小鼠骨關節炎模型中的作用，結果證明二者均可預防骨關節炎的進展。

修復骨缺損與骨再生

由創傷、嚴重感染、惡性腫瘤切除及骨骼發育異常引起的骨缺損，是外科領域的重大挑戰，目前臨床上可供選擇的骨修復替代材料種類繁多，但仍存在成活率較低、穩定性差及免疫排斥反應等問題。因而，需要新的手段和思路來開發無副作用的再生療法。

間充質幹細胞源性外泌體作為一種無細胞療法，具有明顯優勢。最新研究表明，各種幹細胞源性外泌體都可以發揮調節骨重建、促進體外和體內成骨的作用，這包括骨髓、滑膜、脂肪等來源間充質幹細胞等。

Qi等利用幹細胞來源外泌體修復骨質疏鬆兔模型骨缺損，證明外泌體能夠有效刺激骨髓間充質幹細胞的增殖和成骨分化，且該作用隨著外泌體濃度增加而增強。

有研究報道，在免疫大鼠骨軟骨缺損模型中人MSC外泌體可促進軟骨再生。在該研究中，外泌體加速了新組織的填充，

II

型膠原的合成，並增強硫酸化糖胺聚糖的基質合成。到

12

週末，觀察到

MSC

外泌體處理的大鼠其軟骨和軟骨下骨完全恢復，特徵包括表面具有良好且規則的透明軟骨，並與相鄰軟骨完全結合。

Zhang等研究發現，外泌體可以透過啟用人類誘導多能幹細胞來源間充質幹細胞

（hiPS-MSCs）

的

PI3K/Akt

訊號通路增強β

-

磷酸三鈣

（

β

-TCP）

的骨誘導活性，結果表明外泌體

+

β

-

磷酸三鈣組合支架比單純β

-

磷酸三鈣具有更好的成骨活性。同時也提示外泌體可以作為生物材料的活性因子來提高材料的生物活性。

結合上述研究成果，該團隊繼續深入探索，發現hiPS-MSCs分泌的外泌體

（hiPSC-MSC-Exo）

能有效促進卵巢切除大鼠的骨髓間充質幹細胞的增殖和成骨分化，這一作用隨外泌體濃度增大而增強。進一步的研究表明，

hiPSC-MSC-Exo+

β

-

磷酸三鈣組合支架可增強去卵巢大鼠血管生成和骨形成能力，促進骨缺損部位的骨再生。

在心臟毒素誘導小鼠骨骼肌受損模型中，區域性注射MSC-Exo後組織學結果顯示，與對照組比較，實驗組纖維區域減小並且有大量肌纖維、毛細血管形成，說明

MSC-Exo

能夠促進骨骼肌再生。

Liu

等發現，目前還沒有有效的給藥措施能夠使外泌體長久保留在軟骨缺損部位，使其發揮修復與再生作用。於是他們聯合開發了光誘導亞胺交聯水凝膠，其表現出優良的生物相容性、軟骨整合能力和易操作性，可作為外泌體支架用於製備軟骨再生的無細胞組織補丁。無細胞組織補丁可以將幹細胞來源的外泌體保留在其內部，並在體外正向調節軟骨細胞和人骨髓間充質幹細胞的增殖。此外，無細胞組織補丁可以與自身軟骨基質結合，並促進細胞沉積在軟骨缺損部位，最終促進軟骨缺損的修復與再生。

Li

等研究表明，人脂肪間充質幹細胞來源外泌體在體外具有促進人骨髓間充質幹細胞遷移、增殖和成骨分化的能力。將人脂肪間充質幹細胞來源外泌體與聚乳酸

-

乙醇酸共聚物

/

聚多巴胺支架結合植入小鼠顱骨缺損部位可增強其缺損部位的骨再生，從而證實人脂肪間充質幹細胞來源外泌體可為骨組織工程提供一種新的治療方法。

癒合骨折

骨損傷的癒合是一個涉及一系列生理活動的複雜過程，骨折部位的各種幹細胞增殖和分化在癒合中起著至關重要的作用。隨著幹細胞技術的興起，越來越多的研究將幹細胞用於治療多種疾病。近年來，研究人員將幹細胞衍生的外泌體應用於骨損傷修復。

目前認為，間充質幹細胞源性外泌體在促骨折癒合過程中同時發揮幾種作用：1、透過自身攜帶的遺傳物質如微小

RNA（miRNA）

和

mRNA

等，傳遞遺傳資訊調控骨折癒合過程；

2

、透過釋放細胞因子和誘導功能性蛋白幫助骨癒合；

3

、透過介導特殊訊號通路與轉錄因子促進骨折癒合。此外，幹細胞源性外泌體在調控骨量代謝方面也發揮重要作用。

Zhou

等分別對大鼠骨折部位採用人臍帶間充質幹細胞來源外泌體、空白對照和

PBS

注射處理，結果顯示：人臍帶間充質幹細胞來源外泌體組

β

-catenin

、

Wnt3a

的蛋白表達水平及

COL-1

、

OPN

和

RUNX2

的表達水平均高於其餘兩組；

Micro-CT

掃描結果也發現，人臍帶間充質幹細胞來源外泌體組大鼠骨折部位的癒合情況，優於空白對照組和

PBS

注射組。進一步研究發現，人臍帶間充質幹細胞來源外泌體可能透過

Wnt

訊號傳導途徑參與大鼠骨折的修復。

Furuta

等透過建立動物模型發現，

CD92/2

小鼠（已知產生外泌體水平較低）與野生型小鼠相比，股骨骨折後的癒合明顯延緩，但隨後透過向

CD92/2

小鼠體內注射間充質幹細胞來源外泌體可加速形成肥大軟骨細胞，並促進血管化，從而加快骨折癒合。同時，向野生型小鼠體內注射間充質幹細胞來源外泌體，骨折癒合的時間也明顯縮短。

總之，間充質幹細胞源性外泌體可透過調控多能幹細胞成骨分化，促進新生血管生成，提高無機鹽沉積和基質礦化等途徑促進骨折癒合，是潛在的促骨折癒合生物學材料。

治療股骨頭壞死

Li

等建立類固醇激素引起的股骨頭壞死大鼠模型，並將人臍帶間充質幹細胞來源外泌體注射到部分股骨頭壞死大鼠模型的壞死骨髓腔中，以觀察其對壞死骨組織的修復作用。結果顯示：與對照組相比，人臍帶間充質幹細胞來源外泌體組骨組織壞死明顯改善，其主要表現為骨細胞凋亡減少，骨小梁重建水平增加，壞死骨組織中血管生成增加，同時血管內皮生長因子、骨形態發生蛋白

2

的

mRNA

和蛋白水平上調。

Guo等使用人滑膜衍生間充質幹細胞源性外泌體，早期靜脈治療大鼠激素性股骨頭壞死，結果發現其能夠改變股骨頭壞死形態，延緩股骨頭壞死程序。

Liu等研究表明，間充質幹細胞源性外泌體在大鼠激素性股骨頭壞死病變中能抑制骨丟失、改善血管生成，並能啟用

PI3K/Akt

訊號通路激發成骨分化。

除了修復骨損傷外，幹細胞外泌體還能應用於很多領域。有機會我們再向大家介紹，敬請關注。