楊坤，向川

(山西醫(yī)科大學第二醫(yī)院骨科，山西 太原 030001)

間充質(zhì)干細胞源性微囊泡在關(guān)節(jié)軟骨損傷修復(fù)中的應(yīng)用

楊坤，向川*

(山西醫(yī)科大學第二醫(yī)院骨科，山西 太原 030001)

微囊泡(microvesicles，MVs)是機體細胞在生理和病理狀態(tài)下釋放的直徑在30～1 000nm之間的微小囊泡[1]。1967年，Wolf在血液系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)并首次報道了MVs，當時僅被看作細胞活化或損傷的標志物。近年來，隨著研究的深入，MVs的損傷修復(fù)功能逐漸引起了人們的重視。

1 微囊泡的生物學特性

近年來，研究證實多種細胞均可以產(chǎn)生MVs，并且無論其細胞起源或分類(例如，外切體、細胞微粒等)，這些MVs均包含母體細胞大量的生物活性分子(蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、mRNA、microRNA及siRNA等)，繼而運輸?shù)较鄳?yīng)的靶細胞調(diào)節(jié)其生理功能(包括促進細胞增殖及存活等)[2]。研究表明MVs可能主要通過直接膜性融合、粘附分子(如L1、CD44)或信號分子(如整合素)等方式與其他細胞相互作用。目前，MVs已被普遍認為是細胞間傳遞生物學信息的新途徑[3]，并參與機體多種病理生理反應(yīng)。

2 間充質(zhì)干細胞源性微囊泡(marrow stem cell-derived microvesicles，MSCs-MVs)在組織修復(fù)中的研究進展

目前，研究者已從MSCs中分離出MVs(MSCs-MVs)，動物實驗證實MSCs-MVs在不同受損組織中的修復(fù)能力。在腎臟損傷修復(fù)領(lǐng)域，研究者將MSCs-MVs與腎小管上皮細胞共培養(yǎng)，觀察到MSCs-MVs融入腎小管上皮細胞并發(fā)揮促進細胞增殖、提高細胞活性的作用，進而研究人員對甘油誘導的急性腎小管損傷[4]、缺血再灌注誘導的急慢性腎損傷[5]、順鉑誘導的致死性急性腎損傷[6]、殘腎動物模型[7]經(jīng)靜脈注射MSCs-MVs，證實MSCs-MVs可顯著恢復(fù)受損腎組織的組織學特征，明顯改善腎臟功能，提高模型動物的存活率，并且這種作用在MSCs-MVs以較大劑量(或重復(fù))應(yīng)用時更明顯。在肝臟損傷修復(fù)中，MSCs-MVs發(fā)揮的作用亦被證實。Herrera等[8]將肝臟干細胞來源的MVs(liver stem cells-derived microvesicles，LSCs-MVs)與肝細胞共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)LSCs-MVs可促進肝細胞增殖，而較大劑量的LSCs-MVs可顯著抑制氨基半乳糖誘導的肝細胞凋亡；將LSCs-MVs經(jīng)靜脈注射入70%肝切除的大鼠模型體內(nèi)，結(jié)果同樣顯示LSCs-MVs可顯著減少肝細胞凋亡，促進肝臟再生。MSCs-MVs在呼吸、循環(huán)、生殖等系統(tǒng)所發(fā)揮的組織修復(fù)作用亦有文獻報道。Zhu等[9]研究發(fā)現(xiàn)，人源性MSCs-MVs對大腸桿菌內(nèi)毒素誘導的急性肺損傷小鼠具有一定治療作用，可減輕肺水腫及肺泡蛋白的滲出。Zhang等[10]發(fā)現(xiàn)人源性臍帶MSCs-MVs可促進人類UC內(nèi)皮細胞增殖，刺激血管生成，且效應(yīng)呈劑量依賴性。Mokarizadeh等[11]利用Wistar大鼠研究了MSCs-MVs在生殖領(lǐng)域的功能，發(fā)現(xiàn)MSCs-MVs可提高凍存精子的質(zhì)量參數(shù)和黏合性能，部分修復(fù)了凍存對精子活力帶來的負面影響。王喜梅[12]則對MVs的相關(guān)研究做了相對系統(tǒng)的介紹，認為MSCs-MVs的組織修復(fù)作用，可能是其主導的mRNA或蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移誘導了成熟細胞的再分化，觸發(fā)了增殖程序，從而加快了損傷組織的修復(fù)進程。

此外，Kim等[13]對MSCs-MVs進行蛋白組學分析，發(fā)現(xiàn)多組與MSCs自我更新及細胞分化相關(guān)蛋白，其中包括表面受體(PDGFRB、EGFR及PLAUR)、信號分子(RRAS/NRAS、MAPK1、GNA13/GNG12、CDC42及VAV2)、細胞粘附素(FN1、EZR、IQGAPI、CD47、整合素)及MSCs相關(guān)抗原(CD9、CD63、CD81、CD109、CD151、CD248、CD276)等，此研究為更好地理解MSCs-MVs的組織損傷修復(fù)及再生潛能提供了較為全面的分子學基礎(chǔ)。

3 MSCs-MVs在組織修復(fù)中的優(yōu)勢

近年來，MSCs的修復(fù)再生作用已被普遍認可。然而，亦有研究表明MSCs具有免疫調(diào)節(jié)的雙重性質(zhì)，一方面具有免疫抑制功能[14]，另一方面又可能充當抗原提呈細胞，誘發(fā)免疫反應(yīng)[15]。此外，MSCs已被發(fā)現(xiàn)廣泛存在于一些腫瘤組織中(如胃腺癌、脂肪瘤、骨肉瘤)[16]，還有學者推測MSCs是成纖維細胞相關(guān)腫瘤的潛在來源[17]，從而高度懷疑MSCs與這些腫瘤的相關(guān)性。這些信息都暗示MSCs可能在腫瘤的發(fā)展過程中發(fā)揮著某種尚不清楚的作用，應(yīng)用MSCs進行組織修復(fù)必須慎重。

相較于MSCs在組織修復(fù)領(lǐng)域所表現(xiàn)出的不確定性，MSCs-MVs則被證實可以誘導抗炎因子產(chǎn)生、抑制同體或異體淋巴細胞增殖、誘導活化T細胞凋亡及增加調(diào)節(jié)性T細胞的比例，從而可能避免和抑制自身免疫性反應(yīng)[18]。Bruno等[19]發(fā)現(xiàn)人源性MSCs-MVs可以抑制HepG2肝細胞瘤、卡波西氏肉瘤及Skov-3卵巢腫瘤細胞系的分裂周期進程，誘導上述腫瘤細胞凋亡。Wu等[20]也發(fā)現(xiàn)人源性臍帶MSCs-MVs能夠抑制膀胱腫瘤T24細胞的增殖活性，誘導細胞凋亡，抑制腫瘤生長。其他研究也表明，MSCs-MVs較MSCs具有以下優(yōu)點：a)性質(zhì)更穩(wěn)定，便于貯存[21]；b)誘導信號更強烈，信息傳遞能力更強[22]；c)功能不隨時間延長而衰減[23]；d)無異源性風險，無同種異源應(yīng)用之后的免疫反應(yīng)[4]。因此，相比MSCs而言，應(yīng)用MSCs-MVs進行組織損傷修復(fù)應(yīng)該具有更廣闊的前景。

4 MSCs-MVs修復(fù)軟骨損傷的設(shè)想

4.1 軟骨損傷及其治療現(xiàn)狀 軟骨損傷是一種由創(chuàng)傷或活動過度導致的常見關(guān)節(jié)疾病。由于關(guān)節(jié)軟骨的特殊結(jié)構(gòu)，其自身修復(fù)能力有限，損傷后如不經(jīng)治療，常可引發(fā)各種關(guān)節(jié)疾病，并最終導致骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)的發(fā)生，嚴重影響患者生活質(zhì)量。正常軟骨組織在急性或重復(fù)性創(chuàng)傷(包括過度的沖擊負荷)作用下即可導致關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)發(fā)生變化，即蛋白多糖(proteoglycans，PG)含量減少和膠原纖維網(wǎng)絡(luò)(其中Ⅱ型膠原約占80%～90%)發(fā)生破壞，軟骨細胞表型去分化。因此，軟骨損傷修復(fù)的關(guān)鍵在于促進受損區(qū)域軟骨細胞表型恢復(fù)、增加軟骨細胞增殖及基質(zhì)合成。

目前軟骨損傷修復(fù)的方法很多，包括藥物治療、關(guān)節(jié)灌洗清理、軟骨下骨微骨折、軟骨下骨鉆孔、骨軟骨移植、軟骨細胞移植、MSCs移植等技術(shù)和方法。前幾種方法僅能減輕疼痛、緩解癥狀，難以恢復(fù)正常軟骨組織形態(tài)，經(jīng)多年臨床應(yīng)用，療效欠佳。此外，雖有研究顯示MSCs移植在骨修復(fù)再生[24]及軟骨損傷修復(fù)[25]中具有積極作用，但其作用效果的不確定性亦為人擔憂。基于此，探求一種新的安全有效的軟骨修復(fù)方法就具有重要的現(xiàn)實意義。

4.2 MSCs-MVs可能是修復(fù)軟骨損傷的新途徑 MSCs長期被認為是通過其多向分化潛能來修復(fù)組織損傷，但近來更傾向于認為MSCs的修復(fù)機制可能是一種間接的、依賴于旁分泌途徑的方式，而MSCs-MVs很可能就是其中關(guān)鍵的作用組件。Strassburg等[26]研究了MSCs和退化髓核細胞間的相互作用，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在膜成分的雙向交換，MVs在其中扮演重要角色。Diao等[27]將人源MSCs與OA軟骨細胞共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)可部分恢復(fù)OA軟骨細胞的表型，這提示MSCs是通過旁分泌途徑發(fā)揮損傷修復(fù)功能。然而這種發(fā)揮軟骨損傷修復(fù)作用的旁分泌物質(zhì)是否為MVs，未見文獻報道。

目前已知，關(guān)節(jié)軟骨受損時，基質(zhì)退變、軟骨細胞凋亡與NF-κB及MAPKs信號轉(zhuǎn)導通路有密切關(guān)系，主要涉及靶基因 (抗凋亡基因bcl-2或促凋亡基因P53等)及凋亡執(zhí)行蛋白(Casp3等)的激活。而Bruno等[6]研究發(fā)現(xiàn)，致死性急性腎損傷模型小鼠在注射MSCs-MVs后生存率明顯提高，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)腎小管上皮細胞抗凋亡基因(bcl-2、Bcl-χL)表達上調(diào)，同時執(zhí)行凋亡程序的基因(Casp3、8)表達下調(diào)。因此，作者認為MSCs-MVs或許可以通過相似的作用途徑提高受損軟骨細胞活性，修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨損傷。 由上述可知，MSCs-MVs既保留了MSCs的結(jié)構(gòu)和功能潛能，又具有MSCs所不具備的優(yōu)勢，有理由推測，MSCs-MVs將成為軟骨損傷修復(fù)領(lǐng)域新的切入點。因此，筆者認為此方向的探索研究具有一定實踐意義。利用MSCs-MVs對受損軟骨細胞、軟骨組織進行干預(yù)，如能夠證實MSCs-MVs對軟骨細胞增殖、表型恢復(fù)、軟骨基質(zhì)合成等具有促進作用，那么將來關(guān)節(jié)腔注射MSCs-MVs有望成為有效修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨損傷的新手段。目前，這僅僅是一種設(shè)想，究竟MSCs-MVs能否發(fā)揮關(guān)節(jié)軟骨損傷修復(fù)的作用？與其他修復(fù)手段相比，MSCs-MVs修復(fù)效果如何？這些問題尚需經(jīng)過系統(tǒng)研究后才能作出回答。

[1]Ratajczak J，Wysoczynski M，Hayek F，etal.Membrane-derived micro-vesicles：Important and underappreciated mediators of cell-to-cell communication[J].Leukemia，2006，20(9)：1487-1495.

[2]Cucci E，Racchetti G，Meldolesi J.Shedding microvesicles：artefaces no more[J].Trends Cell Biol，2009，19(2)：43-51.

[3]Mathivanan S，Ji H，Simpson R，etal.Exosomes：extracellular organelles important in intercellular communication[J].Proteomics，2010，73(10)：1907-1920.

[4]Bruno S，Grange C，Deregibus MC，etal.Mesenchymal stem cell-derived microvesicles protect against acute tubular injury[J].J Am Soc Nephrol，2009，20(5)：1053-1067.

[5]Gatti S，Bruno S，Deregibus MC，etal.Microvesicles derived from human adult mesenchymal stem cells protect against ischaemia-reperfusion-induced acute and chronic kidney injury[J].Nephrol Dial Transpl，2011，26(5)：1474-1483.

[6]Bruno S，Grange C，Collino F，etal.Microvesicles derived from mesenchymal stem cells enhance survival in a lethal model of acute kidney injury[J].PLoS One，2012，7(3)：e33115.

[7]He J，Wang Y，Sun S，etal.Bone Marrow stem cells-derived micro-vesicles protect against renal injury in the mouse remnant kidney model[J].Nephrology(Carlton)，2012，17(5)：493-500.

[8]Herrera MB，F(xiàn)onsato V，Gatti S，etal.Human liver stem cell-derived microvesicles accelerate hepatic regeneration in hepatectomized rats[J].J Cell Mol Med，2010，14(6B)：1605-1618.

[9]Zhu YG，F(xiàn)eng XM，Abbott J，etal.Human Mesenchymal Stem Cell Microvesicles for Treatment of E.coli Endotoxin-Induced Acute Lung Injury in Mice[J].Stem Cells，2014，32(1)：116-125.

[10]Zhang HC，Liu XB，Huang S，etal.Microvesicles derived from human umbilical cord mesenchymal stem cells stimulated by hypoxia promote angiogenesis both in vitro and in vivo[J].Stem Cells Dev，2012，21(18)：3289-3297.

[11]Mokarizadeh A，Rezvanfar MA，Dorostkar K，etal.Mesenchymal stem cell derived microvesicles：Trophic shuttles for enhancement of sperm quality parameters[J].Reprod Toxicol，2013(42)：78-84.

[12]王喜梅，楊躍進，吳永健.微囊泡在組織再生中的研究進展[J].醫(yī)學綜述，2012，18(13)：1993-1995.

[13]Kim HS，Choi DY，Yun SJ，etal.Proteomic Analysis of Microvesicles Derived from Human Mesenchymal Stem Cells[J].Proteome Res，2012，11(2)：839-849.

[14]Jarvinen L，Badri L，Wettlaufer S，etal.Lung resident mesenchymal stem cells isolated from human lung allografts inhibit T cell proliferation via a soluble mediator [J].J Immunol，2008，181(6)：4389-4396.

[15]Stagg J，Pommey S，Eliopoulos N，etal.Interferon-gamma-stimulated marrow stromal cells：a new type of nonhematopoietic antigen-presenting cell[J].Blood，2006，107(6)：2570-2577.

[16]Brune JC，Tormin A，Johansson MC，etal.Mesenchymal stromal cells from primary osteosarcoma are non-malignant and strikingly similar to their bone marrow counterparts[J].Int J Cancer，2011，129(2)：319-330.

[17]Kidd S，Spaeth E，Watson K，etal.Origins of he tumor microenvironment：quantitative assessment of adipose-derived and bone marrow-derived stroma[J].PLoS One，2012，7(2)：e30563.

[18]Mokarizadeh A，Delrezh N，Morshedi A，etal.Microvesicles derived from mesenchymal stem cells：Potent organelles for induction of tolerogenic signaling[J].Immunology Letters，2012，147(1-2)：47-54.

[19]Bruno S，Collino F，Deregibus MC，etal.Microvesicles derived from human bone marrow mesenchymal stem cells inhibit tumor growth[J].Stem Cells Dev，2013，22(5)：758-771.

[20]Wu S，Ju GQ，Du T，etal.Microvesicles Derived from Human Umbilical Cord Wharton′s Jelly Mesenchymal Stem Cells Attenuate Bladder Tumor Cell Growth In Vitro and In Vivo[J].PloS One，2013，8(4)：e61366.

[21]Lai RC，Arslan F，Lee MM，etal.Exosome secreted by MSC reduces myocardial ischemia/reperfusion injury[J].Stem Cells Res，2010，4(3)：214-222.

[22]Farsad K.Exosomes：novel organelles implicated in immunomodulation and apoptosis[J].Yale J boil Med，2002，75(2)：95-101.

[23]Uccelli A，Moretta L，Pistoia V.Mesenchymal stem cells in health and disease[J].Nat Rev Immunol，2008，8(9)：726-736.

[24]Otsuru S，Gordon PL，Shimono K，etal.Transplanted bone marrow mononuclear cells and MSCs impart clinical benefit to children with osteogenesis imperfecta through different mechanisms[J].Blood，2012，120(9)：1933-1944.

[25]Koelling S，Miosge N.Stem cell therapy for cartilage regeneration in osteoarthritis[J].Exp Opin Biol Therapy，2009，9(11)：1399-1405.

[26]Strassburg S，Hodson NW，Hill PI，etal.Bi-directional exchange of membrane components occurs during co-culture of mesenchymal stem cells and nucleus pulposus cells[J].PLoS One，2012，7(3)：e33739.

[27]Diao HJ，Yeung CW，Yan CH，etal.Bidirectional and mutually beneficial interactions between human mesenchymal stem cells and osteoarthritic chondrocytes in micromass co-cultures[J].Regenerative Medicine，2013，8(3)：257-269.

國家自然科學基金項目(81472091)；*本文通訊作者：向川

1008-5572(2015)01-0059-03

R873

A

2014-09-16

楊坤(1987- )，男，研究生在讀，山西醫(yī)科大學第二醫(yī)院骨科，030001。