干细胞源性细胞外囊泡在修复椎间盘退变中的研究进展

干细胞源性细胞外囊泡在修复椎间盘退变中的研究进展一文创作于：2023-08-16 04:30:23，全文字数：13893。

终板软骨细胞凋亡和钙化可导致椎间盘内营养转运障碍，加重椎间盘变性，间充质干细胞衍生的小细胞外囊泡可显著降低终板细胞凋亡蛋白caspase-3、caspase-7、caspase-9、Runt 相关转录因子-2（Runx2）等因子表达水平，其潜在机制可能与miR-31-5p/活化转录因子（ATF）6/内质网（ER）应激途径调节有关[28]。

Zhu 等[29]研究发现，BMSC 衍生的小细胞外囊泡通过靶向混合谱系酶3（MLK3）传递miR-142-3p 来抑制髓核细胞的凋亡。Yuan 等[30]研究发现，人脐带间充质干细胞衍生的小细胞外囊泡通过靶向甲基转移酶样14(METTL14)有效提高髓核细胞的活力并避免焦亡。METTL14 在IDD 患者髓核细胞中高度存在，其以胰岛素样生长因子结合蛋白（IGFBP）-2 依赖性方式稳定NOD 样受体热蛋白结构域相关蛋白（NLRP）3 mRNA。升高的NLRP3水平导致IL-1 和IL-18 水平上调，并引发髓核细胞死亡。这种致病轴可能被人脐带间充质干细胞衍生的小细胞外囊泡阻断，小细胞外囊泡携带的miR-26a-5p 可以直接降解METTL14。

Cheng 等[31]研究发现，BMSC 衍生的小细胞外囊泡可有效抑制肿瘤坏死因子（TNF）- 诱导髓核细胞的凋亡过程，这可能与其小细胞外囊泡携带的miR-21 经PI3K/Akt 信号通路靶向磷酸酶与紧张素同系物（PTEN），从而转入髓核细胞相关。

2.2.3 抑制炎症反应

作为椎间盘变性的征兆之一，炎症总是伴随着促炎因子的释放，它是导致椎间盘源性疼痛的关键因素。炎症因子如TNF- 、IL、一氧化氮和前列腺素E2 的相互作用和异常表达可引起炎症并加速IDD[32]。随着炎症反应的进展，来自背根神经节的免疫细胞和疼痛感应神经纤维开始浸润受损的椎间盘组织。一旦髓核细胞和免疫细胞开始释放神经营养因子，疼痛的神经纤维就会受到刺激并开始传递疼痛。此外，炎症因子还可以加速细胞衰老及细胞凋亡，促进细胞外基质降解蛋白表达，并抑制细胞外基质结构分子表达以增强退行性 过程[33]。

Cui 等[34]研究发现，miR-129-5p 在IDD 髓核组织中表达下调；干细胞源性细胞外囊泡通过将所含的miR-129-5p 递送到髓核细胞抑制髓核细胞凋亡和细胞外基质降解，同时降低巨噬细胞M1 型极化程度。

此外，小细胞外囊泡可抑制H2O2诱导髓核细胞炎症因子如IL-6、一氧化氮合酶（NOS）表达，从而在减轻炎症反应方面发挥重要作用[35]。高级糖基化终产物（AGE）与炎症、代谢功能障碍和ER 应激密切相关，通常积聚在衰老和退行组织中，尤其是在富含胶原蛋白的组织中，AGE 积累可促进C/EBP 同源蛋白（CHOP）表达和髓核细胞受损[36]。Liao 等[37]通过AGE 诱导人髓核细胞引发ER 应激，间充质干细胞衍生的小细胞外囊泡通过激活Akt和细胞外调节蛋白激酶（ERK）信号转导来减弱ER 应激诱导的细胞凋亡，改善未折叠的蛋白质反应（UPR）过度激活，并降低CHOP 表达，从而使髓核细胞最终免受过度凋亡。研究发现，过度氧化应激及炎症反应是导致IDD 症状发生的早期事件，NLRP3 炎性小体则是导致氧化应激、炎症反应的重要因素，小细胞外囊泡通过抑制炎症介质和NLRP3 炎症小体活化，在病理性髓核细胞中起抗炎作用[35,38]。

此外，退变椎间盘内巨噬细胞表型或功能变化可直接导致微环境稳态破坏和炎症因子聚集，最终导致细胞外基质和椎间盘降解。M1 型巨噬细胞可以分泌大量的炎症因子如TNF- 、IL-1 等，它们会招募更多的巨噬细胞，导致椎间盘持续处于炎症状态，无法进入组织修复期[39]。相反，M2型巨噬细胞具有很强的吞噬能力，可以促进伤口愈合和组织修复[40]。Cui 等[34]研究发现，间充质干细胞衍生的小细胞外囊泡可递送miR-129-5p 并靶向LGR1基因，随后抑制p38 丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路的激活，使巨噬细胞向M1型极化，从而缓解IDD 进展。

2.3 存在的问题

在小细胞外囊泡应用于治疗IDD 时，小细胞外囊泡快速清除和破坏是2 个主要问题。此外，小细胞外囊泡治疗剂的开发方面仍面临着诸多挑战，目前小细胞外囊泡制剂生产受到了异质性、低生产率等的限制，因此需开发及优化生产细胞外囊泡制剂的方法[41]。同时，给药方式对于小细胞外囊泡的应用也很重要，给药方式包括系统注射和局部注射。单次注射可能无法确保长期缓解退变过程，而重复注射可能会破坏椎间盘结构。因此，寻找合适的小细胞外囊泡载体可能是未来的热门研究。目前已有关于小细胞外囊泡与生物材料结合应用于IDD 治疗的相关研究。Xing 等[3]将一种热敏无细胞外基质水凝胶与ADSC 衍生的小细胞外囊泡结合，该复合物兼具髓核组织与ADSC 的特性，可改善IDD，但仍需要大量的动物和临床实验佐证。

3 结语

干细胞及其细胞外囊泡治疗IDD 可延缓症状。IDD 进程中伴随着髓核细胞功能退化，移植健康且具有活力的干细胞可通过多种途径恢复髓核细胞的活性。但由于退化椎间盘中恶劣的微环境，移植间充质干细胞的存活和分化仍存在一些问题。致瘤性、异位骨化、免疫反应等并发症限制了干细胞组织工程疗法应用的普及。细胞外囊泡由于不是细胞，没有相关的免疫反应、肿瘤形成和基因突变的风险，且保留了其来源细胞原本的特性，因此干细胞源性细胞外囊泡治疗IDD 有可能优于干细胞疗法[42-43]，但其存在有提取率低、量较少等问题[44]，未来的研究应侧重于改进分离和富集技术，制定标准化程序，从而大规模生产干细胞源性细胞外囊泡。

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