干细胞衍生的外泌体在骨科和创伤外科中的临床应用

一、骨折

骨折是常见的创伤性大器官损伤，约10%的骨折愈合不好。骨折愈合涉及合成代谢组织膨胀期和分解代谢组织重塑期，这两个阶段由各种因素控制，如干细胞、先天和适应性免疫功能，骨折的生物药理学治疗可以局部给予（如骨形态发生蛋白，BMP）或全身给予（如甲状旁腺激素，PTH）。作为一种有前景的替代方案，用于骨折愈合的外泌体治疗主要利用骨髓来源的MSCs作为细胞供应商。

· MSCs衍生的外泌体促进骨折愈合的机制

首先，骨修复的进展需要多种细胞，例如炎症阶段的炎症细胞、纤维血管阶段的内皮和间充质祖细胞、骨形成过程中的成骨细胞和软骨细胞以及骨痂重塑过程中的破骨细胞，它们与骨折愈合相关。在外泌体吸收后，受体细胞的基因表达被修饰，从而激活各种信号通路，引起各种细胞和组织反应，并改善骨折愈合。

二、骨关节炎

骨关节炎（OA）是成人常见的关节疾病，也是活动受限的常见原因，影响全球约2.4亿患者。OA的病理学已从仅被视为软骨演变为一种多组织疾病，影响整个关节的所有组成部分，包括骨、滑膜、肌肉、韧带，临床试验已经成功揭示了阻止结构进展（例如组织蛋白酶K和Wnt抑制剂）或减轻OA疼痛（例如神经生长因子抑制剂）的系统性化合物。作为OA的潜在治疗选择，大多数MSC衍生的外泌体治疗在体外模型中使用软骨细胞作为靶点。这些间充质干细胞可能来源于各种组织，如骨髓、滑膜、牙龈和髌下脂肪垫（IPFP）。

· 软骨形成

IPFP-MSC衍生的外泌体通过miR100-5调节的mTOR自噬途径抑制，保护OA小鼠的关节软骨免受损伤，并改善步态异常。由于在临床内通过关节镜手术很容易从OA患者身上取回人IPFP，这种类型的外泌物治疗可能会简化和加速从工作台到床边的过程。研究人员发现MSC衍生的外泌体可以通过OA中的lncRNA-KLF3-AS1/miR-206/GIT1轴促进软骨细胞的增殖和抑制软骨细胞的凋亡。细胞研究表明，滑膜MSC衍生的内泌体miR-320c可以通过靶向ADAM19.81增强软骨形成。此外，来自软骨源性MSCs的外泌体miR-92a-3p可以通过靶向Wnt5a82增强软骨生成并抑制软骨降解。与使用原始外泌体的这些研究相比，很少有组在全身给药前修饰外泌体。通过用miR-140-5p转染滑膜间充质干细胞来修饰外泌体，发现外泌体miR-140-5p-过表达可以增强大鼠模型中软骨组织的再生并预防膝关节OA。同时，使用TGF-β1刺激间充质细胞，以及由此产生的外泌体miR-135b通过调节特异性蛋白-1。增加软骨细胞增殖。在一项比较研究中，来自iPSC衍生的MSC的外泌体外体比滑膜MSC衍生的外泌体内对OA的治疗作用更强。

· OA治疗过程中的抗炎和免疫调节

MSC衍生的外泌体在体外抑制炎症因子、谷氨酰胺代谢活性相关蛋白、谷氨酰胺和GSH/GSSG比率，同时在体内改善小鼠的软骨细胞功能、组织炎症和运动能力，从而缓解OA进展。研究已经将注意力从软骨转移到腹泻关节的其他组织（如骨骼）上。首先，骨髓MSC衍生的外泌体miR-206通过减少E74样因子3（Elf3）促进OA中成骨细胞的增殖和成骨分化，并改善小鼠股骨组织中的炎症和增加骨钙素和BMP2的表达。其次，MSC外泌体治疗的骨软骨缺损表现出再生免疫表型，其特征是CD163+M2巨噬细胞的浸润高于CD86+M1巨噬细胞，同时促炎滑膜细胞因子IL-1β和TNF-α减少。牙龈MSC衍生的外泌体被证明在预防胶原诱导的关节炎方面具有免疫抑制作用。与亲代细胞相比，这些外泌体通过抑制IL-17RA-Act1-TRAF6-NF-κB信号通路，在抑制IL-17A和促进IL-10、减少关节炎的发病率和骨侵蚀方面具有相同或更强的作用。

目前，还没有一种“一刀切”的药物适用于所有OA患者。疾病修饰性OA药物（DMOAD）可能成为下一代OA治疗方法。MSC衍生的外泌体治疗OA与DMOAD一致是非常有价值和相关的：两者都能够靶向炎性细胞因子、基质降解酶和Wnt途径。因此，新兴的DMOAD开发方法，如基于miRNA的模式和靶向细胞衰老，也可能用于完善基于MSC的OA外泌体治疗。

三、脊髓损伤

创伤性脊髓损伤（SCI）是一个毁灭性的全球健康问题，对患者和社会造成了重大的功能和经济负担。脊髓损伤的病理生理学包括机械创伤引起的原发性损伤和以细胞凋亡、水肿、缺血、炎性细胞浸润和兴奋性毒性为特征的继发性损伤级联。尽管进行了手术干预，但涉及药物治疗的临床研究可大致分为神经保护性或神经再生性。针对上述机制链的每一个事件，MSC和NSC衍生的外泌体治疗都可对脊髓保护和再生产生有益影响。

· 针对神经元细胞死亡

胰岛素样生长因子1（IGF-1）刺激的NSC衍生的外泌体可以抑制神经元凋亡，同时通过miR-219a-2-3p/YY1途径促进SCI后的功能恢复。或者，蛛网膜下腔注射NSC衍生外泌体可通过miR-374-5p/STK-4轴激活自噬来抑制神经元细胞凋亡，从而增强SCI。使用MSC衍生外泌物探索其他形式的细胞死亡（例如，铁蛋白脱失），并发现外泌体lncGm36569可以通过miR-5627-5p/FSP1轴抑制神经元细胞铁蛋白脱脱，从而减少神经元功能障碍。

· 针对抗炎和免疫调节

MSC衍生的外泌体分次静脉输注可靶向M2巨噬细胞并上调TGF-β，从而稳定微血管并改善功能恢复。同样，除了缺氧增加骨髓间充质干细胞的外泌物产生外，预处理外泌体miR-216a-5p还可通过TLR4/NF-κB/PI3K/Akt途径改变小胶质细胞M1/M2极化来修复创伤性脊髓损伤。硬膜外脂肪MSC衍生外泌体可减弱NLRP3炎症小体并改善脊髓损伤的功能恢复，可以提供类似的抗炎作用。EPCs的外泌体miR-222-3p可以通过SOC3/JAK2/STAT3途径促进抗炎巨噬细胞，并改善SCI后的小鼠功能修复

· 靶向血管生成和血脊髓屏障（BSCB）完整性

使用未修饰的NSC衍生的外泌体，发现它们高度富集VEGF-A，因此可以增强脊髓微血管内皮细胞（SCMEC）的血管生成活性。相比之下，用免疫调节剂和微血管调节剂FTY720修饰NSC衍生外泌体以通过PTEN/Akt途径保护SCMEC的屏障功能，从而改善后肢功能。众所周知，脊髓微血管血管内皮和周细胞之间的连接对维持BSCB的结构完整性至关重要。因此，外泌体疗法在周细胞稳态中的作用，骨髓MSC衍生的外泌体可以在体外减少周细胞焦下垂并提高周细胞存活率，同时在体内改善BSCB的完整性和运动恢复。

· 针对神经保护和神经再生的其他方面，如神经毒性星形胶质细胞和内源性NSC的可持续性

人脐带MSC衍生的外泌体可以通过靶向神经毒性星形细胞促进脊髓功能的恢复。来源于神经生长因子（NGF）-过表达骨髓间充质干细胞的外泌体可以增强神经干细胞的神经元分化和轴突再生。来源于胎盘的MSC外泌体可促进增殖的内源性神经干细胞活化，从而改善运动活动和膀胱功能障碍，这是一种常见的后遗症，可能会进一步恶化SCI患者的生活质量。

四、肌肉和肌腱撕裂

肌肉和肌腱撕裂可由急性创伤（如骨折）或慢性过度使用（如运动损伤）引起。肌肉拉伤和肌腱撕裂的愈合遵循典型的伤口愈合过程，包括炎症、增殖和重塑阶段。已经试验了多种非手术策略来改善愈合，包括基于细胞和生长因子的治疗。1验证研究表明，MSC衍生的外泌体可能成为下一代肌肉骨骼治疗。

· 专注于肌腱骨单元的各个组成部分

MSC衍生的外泌体可以改善C2C12成肌细胞的体外成肌和HUVECs的血管生成，同时在心脏毒素诱导的肌肉损伤模型中加速体内骨骼肌再生。这些益处至少部分是由miR-494等miRNA介导的。在兔跟腱断裂模型中，脂肪间充质干细胞的外泌体可以增强原代肌腱细胞的增殖和迁移，同时还可以通过上调decorin和biglycan来提高修复肌腱的机械强度。

· 肌腱-骨骼单元视为一个单一的功能系统，并使用肩袖撕裂作为疾病模型，这是患者寻求治疗的常见的肩部疾病

研究人员使用脂肪MSC衍生的外泌体，在大鼠肩袖大面积撕裂模型中，外泌体治疗可以防止肌肉萎缩、炎症和血管化。在兔慢性肩袖撕裂模型中，外泌体治疗可以防止脂肪浸润并改善生物力学性能。骨髓MSC衍生的外泌体可以增加重建后肩袖的断裂负荷和硬度，诱导肩袖终点周围的血管生成，并促进腱骨界面的生长。

五、其他骨科疾病

骨质疏松症是一种代谢性骨病，其特征是骨密度低和骨结构弱化，这增加了骨折的风险。细胞研究中，脂肪MSC衍生的外泌体可拮抗缺氧/血清剥夺诱导的骨细胞凋亡和骨细胞介导的破骨细胞生成。进一步的动物研究表明，脐带MSC衍生的内泌体可通过miR-1263/Mob1/Hippo途径抑制骨髓MSC凋亡并预防废用性骨质疏松症，并通过miR-2110和miR-328-3p改善胫骨密度和逆转雌激素缺乏型骨质疏松症。

与SCI相比，周围神经损伤（如坐骨神经损伤）要常见得多。随后的神经再生由神经元和施旺细胞之间的相互作用控制，研究表明，脂肪MSC衍生的外泌体可通过增加体外轴突生长、体内轴突再生和行走行为来靶向神经元。脂肪MSC衍生外泌体可以通过促进增殖来靶向雪旺细胞，神经营养因子在体外的迁移和分泌，并恢复活体的去神经支配肌肉萎缩。 LPS预处理的MSC衍生的外泌体可以通过在体外增强M2巨噬细胞的极化来靶向炎症细胞，并加速活体的外周神经再生。

椎间盘（IVD）变性是导致下背痛的主要原因，下背痛是全球残疾患者总年数的主要损伤。其分子过程包括细胞外基质（ECM）变性、炎症、氧化应激、细胞凋亡、衰老和自噬减少。外泌体治疗的新兴途径试图解决其中一些问题。椎间盘内注射骨髓MSC衍生的外泌体可以通过外泌体miR-21.126抑制髓核细胞（NPC）凋亡并减轻IVD变性。另一方面，人ESC衍生的外泌体可以通过递送miR-302c抑制NLRP3炎症小体以减轻髓核细胞中的焦下垂。除了细胞死亡和线粒体损伤外，还发现MSC衍生的外泌体可抑制NPC中的氧化应激。由于IVD变性和OA有一个共同的分子疾病谱，使用MSC衍生外泌体治疗OA的阳性结果可作为IVD变性研究的参考。

骨坏死，又名股骨头缺血性坏死（ONFH）是一种影响年轻人群的致残性疾病，通常导致全髋关节置换术。糖皮质激素（GC）诱导的骨坏死是股骨头缺血性骨折常见的原因之一，其发病机制表现在两个方面：股骨头的血液供应受损和成骨活性减弱。来源于iPSC的MSCs的外泌体可以通过PI3K/Akt途径促进血管生成和成骨，从而预防GC诱导的ONFH。