外泌体介导的细胞间通讯：为骨质疏松症开辟新疗法

在医学研究的广阔领域中，每一次发现都可能为患者带来新的希望。本文摘要将深入探讨一项引人入胜的研究——外泌体（exosomes）在骨质疏松症治疗中的潜力。作为细胞间通讯的新型媒介，外泌体显示出在调节骨代谢和治疗骨质疏松症方面的巨大应用前景。接下来的内容将揭示这一领域的最新科研成果和临床应用的可能性。

一、概要

- 外泌体是几乎所有细胞类型释放的微小的、亚微米级的脂质双层包裹的囊泡，它们在细胞间通讯中发挥重要作用。

- 外泌体在生理和病理条件下都能被分泌，并存在于多种生物体液中，显示出明显的分子异质性。

- 外泌体携带包括核酸（DNA、mRNA和非编码RNA）、蛋白质、脂质、氨基酸和小分子代谢物等多样成分，促进细胞间的交流。

- 外泌体最初被认为是分子垃圾箱，但现在已被认识到是一种新颖且强大的细胞间通讯机制。

- 外泌体能够通过融合其膜内容物到受体细胞的质膜、直接激活细胞表面受体以及传递效应分子（如癌基因、转录因子和长短非编码调控RNA）来调节目标细胞的生物学特性和功能。

- 骨组织是一种含有胶原蛋白和钙磷酸的矿化的结缔组织，对外泌体在骨质疏松症中的作用及其在疾病预防和管理中的潜在应用具有重要意义。

细胞外囊泡生物发生的示意图

二、骨重建的基础生物学

- 骨组织由成骨细胞和破骨细胞不断进行新骨合成与旧骨吸收，保持骨代谢平衡。

- 成骨细胞谱系包括成骨细胞、骨细胞和骨衬里细胞，是骨形成的主要细胞。

- 破骨细胞由骨髓中的造血干细胞产生，负责骨的降解。

- 骨髓间充质干细胞（BMSCs）是多能成骨细胞的来源，对维持骨骼健康至关重要。

三、EVs在成骨分化中的潜在治疗效应

外泌体囊泡（EVs）具有治疗骨质疏松症的潜力，因为它们能够包含蛋白质、长链非编码RNA（lncRNA）、微小RNA（miRNAs）和mRNAs。EVs能够将这些有效载荷传递给附近或远处的细胞，并引发与载荷内容相对应的生物学反应。

1. 骨髓间充质干细胞（BMSCs）衍生的外泌体

- BMSCs衍生的外泌体在骨重塑过程中起关键作用。

- 利用RNA微阵列技术发现，绝经后骨质疏松症患者BMSCs的外泌体中存在差异表达的lncRNAs。

- 绝经后骨质疏松症患者的BMSCs外泌体中148种lncRNAs上调，138种下调。

- 差异表达的lncRNAs可能靶向PI3K-Akt、MAPK和Wnt/β-catenin等信号通路。

- 骨髓微胶质细胞产生的外泌体携带特定lncRNAs或miRNAs，支持成骨分化。

- BMSCs产生的外泌体MALAT1通过海绵miR-34c增加SATB2表达和成骨细胞活性。

- 外泌体miR-21-5p通过调节KLF3增强hFOB1.19细胞的成骨分化和ALP活性。

- 外泌体miR-935通过下调STAT1增强大鼠成骨细胞增殖和分化。

- 来自骨质疏松症患者的MSCs产生的外泌体miR-21表达水平显著升高。

- miR-424-5p过表达的外泌体阻断WIF1/Wnt/β-catenin介导的成骨细胞发展。

BMSCs衍生的外泌体参与成骨分化的机制

2. 血清衍生外泌体

- 血清来源的外泌体在骨质疏松症患者和无该疾病患者的血清中被收集和鉴定。

- 通过RNA测序发现，骨质疏松症患者血清外泌体中有296种lncRNAs上调，97种下调。

- 差异表达的血清外泌体lncRNAs在骨质疏松症相关途径中显著富集。

- 新发现的lncRNA TCONS_00072128在骨质疏松症患者中显著下调。

- LncRNA TCONS_00072128过表达可能通过上调caspase 8和ALP水平增强BMSCs向成骨组织的分化能力。

- 血清外泌体miRNAs在正常骨量和骨质疏松性骨折的绝经后女性中表达不同。

- 与骨质疏松症相关的miRNAs（mir-324-3p, mir-766-3p, mir-1247-5p）与腰椎骨密度（BMD）相关。

- 血清外泌体miR-330-5p和miR-3124-5p与股骨颈和总髋部的BMD相关，且与BMD呈正相关和负相关。

3. 人脐带间充质干细胞衍生的外泌体

- 脐带间充质干细胞（HucMSC）衍生的外泌体能够增强成骨细胞增殖和分化。

- 在卵巢切除（OVX）小鼠骨质疏松症模型中，HucMSC衍生的外泌体能够预防骨质疏松症。

- 通过高通量miRNA测序，研究发现HucMSC衍生的外泌体中的miR-1263能够通过阻断Mob1和Hippo信号通路来减少BMSC凋亡，防止废用性骨质疏松症。

4. 来自脂肪组织来源的MSC的外来体

- 脂肪组织来源的间充质干细胞（ADMSCs）衍生的外泌体能够保护原代成骨细胞免受肿瘤坏死因子α（TNF-α）诱导的细胞毒性和死亡。

- 过表达miR-21的ADMSCs产生的外泌体能够在脊柱中上调白介素6（IL-6）表达，减少破骨细胞数量，降低尿中脱氧吡啶啉含量，提高骨密度和骨矿含量，缓解强直性脊柱炎（AS）小鼠的骨质疏松症。

- 通过抑制NLRP3炎症体激活，ADMSCs衍生的外泌体减少骨吸收，逆转链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠的骨丢失。

5. 内皮细胞衍生的外泌体

- 内皮细胞衍生的外泌体（EC-Exos）能够通过防止细胞凋亡和依赖铁蛋白吞噬的铁死亡来治疗糖皮质激素诱导的骨质疏松症。

- EC-Exos通过促进骨髓中的骨形成和血管生成，以及通过提供miR-155给巨噬细胞来部分阻止破骨细胞的骨吸收，从而改善骨质疏松症。

6. 血小板裂解物外泌体

- 血小板裂解液（PL）衍生的外泌体富含血小板衍生生长因子(PDGF)、血管内皮生长因子（VEGF）、转化生长因子β（TGF-β）和性成纤维细胞生长因子（bFGF）等生长因子，对伤口愈合和局部骨愈合具有强烈的再生和促血管生成效应。

- 通过将PL衍生的外泌体与DSPE-PEG-grafted阿仑膦酸钠(ALN)结合，创建了针对骨组织的血小板裂解液外泌体（PL-exo-ALN），该制剂能够逆转糖皮质激素诱导的骨质疏松症并促进骨形成和血管生成。

7. 巨噬细胞衍生的外泌体

- M1型巨噬细胞衍生的外泌体抑制了MC3T3-E1细胞的成骨分化，并加剧了卵巢切除（OVX）小鼠的骨丢失。

- M1型巨噬细胞衍生的外泌体通过增加miR-98表达、降低DUSP1和激活JNK，加剧了骨丢失并使骨功能降低。

8. 成骨细胞衍生的外泌体

- 来自患有髋关节骨关节炎、骨质疏松症或两者兼有的患者骨母细胞的外泌体对BMSCs的代谢和成骨分化有不同影响。

- 老化骨母细胞产生的外泌体miR-139-5p表达增加，可能通过靶向TBX1促进衰老并抑制内皮细胞生长。

9. 其他细胞衍生的外泌体

- 来自骨质疏松症患者的T细胞衍生外泌体可能通过降低与成骨细胞相关的基因表达，如Runx2、骨钙素、I型胶原蛋白和骨桥蛋白，对成骨功能产生负面影响。

- 系统性肥大细胞增多症（SM）衍生的外泌体通过释放miRNA-30a和miRNA-23a，能够抑制前成骨细胞向成骨细胞的分化，限制成骨细胞生成和骨形成。

四、外泌体在破骨细胞分化中的潜在治疗效应

- 来自经过周期性机械拉伸处理的BMSCs的外泌体可通过阻断RANKL触发的NF-κB信号通路，有效抑制体外破骨细胞生成。

- 在严重废用性骨质疏松小鼠模型中，CMS处理的BMSCs源外泌体能进一步预防骨质疏松症。

- 血管内皮细胞分泌的外泌体（EC-Exos）在体外显著限制了破骨细胞的分化和功能，减少骨吸收面积，抑制成熟破骨细胞的肌动蛋白环形成。

- 来自老年大鼠BMSCs的外泌体miR-31a-5p水平显著高于年轻大鼠，miR-31a-5p通过促进衰老相关异染色质病灶（SAHF）的发展降低成骨细胞生成，增加破骨细胞生成和骨吸收。

- 脂肪来源的间充质干细胞（AD-MSCs）衍生的外泌体能够抑制高糖水平诱导的促炎因子（如IL-1b和IL-18），减少RANKL表达和RANKL/OPG比例，对抗缺氧和血清剥夺（H/SD）诱导的骨细胞死亡和骨细胞介导的破骨细胞生成。

五、中药对外泌体的影响

- 中医药通过调节BMSC-Exos来减轻骨质疏松症，可能成为新的治疗靶点。

- 青蒿素衍生物阿魏酸（ART）通过调节miR-503/RANK轴，抑制破骨细胞生成和活性，展现出对骨质疏松症的预防效果。

- ART处理的BMSC-Exos通过提供SNHG7并改变TAF15/RUNX2轴，增强hFOB1.19细胞的成骨活性。

- 从巴戟天（MO）中分离出的巴戟天多糖（MOP）通过降低骨转换标志物水平和改善骨小梁微结构，显著预防了卵巢切除诱导的骨丢失。

- MOP治疗通过促进成骨细胞分化和抑制破骨细胞分化，帮助缓解糖皮质激素诱导的骨质疏松症症状。

未来展望和结论

外泌体在骨质疏松症治疗中显示出巨大潜力，未来的研究将集中于开发骨靶向递送系统，以增强治疗效果并减少病理性骨丢失。尽管外泌体作为成骨细胞和破骨细胞功能调控者展现出前所未有的治疗前景，但目前的研究还处于初级阶段，其在人类中的效果和应用潜力仍需通过深入的临床研究来验证和挖掘。

参考文献

【1】He Y, Chen Y. The Potential of Exosomes for Osteoporosis Treatment: A Review. Drug Des Devel Ther. 2024 Mar 28;18:979-989. doi: 10.2147/DDDT.S437596.