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乘干细胞之东风-外泌体的“崛起”

时间:2021-12-08 14:22 作者:美亚生物 点击:

1995年,msc首次作为细胞治疗产品用于人体试验,并快速成为临床研究数量最多的干细胞类型。近年来,日本、韩国、加拿大、欧盟等国家和地区批准了数个msc药物上市,这些产品的组织来源包括骨髓、脂肪和脐带血等,主要适应症包括心肌梗死、创伤性或退行性骨关节炎、克罗恩病、移植物抗宿主病(graft versus host disease,gvhd)等。

简介

早期的研究主要将msc的治疗效果归因于局部移植和其分化能力,然而最近的研究表明,植入的细胞并不能在体内存活很长时间,有报道称,仅有1%的msc在给药后可以存活超过一周的时间,而msc疗法的神奇功效是由于旁分泌机制介导的,msc会产生的大量生物活性因子,这些因子在关键的生物过程的调节中发挥重要作用。因此,间充质干细胞外泌体在组织修复和再生方面的应用备受关注。

外泌体(exosome)是细胞分泌囊泡(extracellular vesicles)的一种亚型,存在于生物体液中,并参与多种生理和病理过程。外泌体被认为是细胞间通信的一种新机制,允许细胞交换蛋白质、脂质和遗传物质。过去,人们一直认为它们只是一种细胞的废弃物;现在,随着高通量蛋白质组学和基因组学的发展,外泌体被广泛认为是特指直径在40-100nm的盘状囊泡,主要来源于细胞内溶酶体微粒内陷形成的多囊泡体,经多囊泡体外膜与细胞膜融合后释放到胞外基质中。外泌体广泛存在并分布于各种体液中,携带多种蛋白质、mrna、mirna和脂质类物质等;同时外泌体也是生物体内细胞间短距离和长距离交流的高度保守的途径,这种细胞间通信对于正常细胞和肿瘤细胞都是非常重要的。
 

外泌体制备方法

(1)超速离心法(差速离心):

超离法因操作简单,获得的囊泡数量较多,但过程比较费时,且回收率不稳定(可能与转子类型有关),纯度也受到质疑;此外,重复离心操作还有可能对囊泡造成损害,从而降低其质量。

(2)磁珠免疫法:

磁珠法具有特异性高、操作简便、不影响外泌体形态完整等优点,但是效率低,外泌体生物活性易受ph和盐浓度影响,不利于下游实验,难以广泛普及。

(3)超滤离心法:

超滤离心法简单高效,且不影响外泌体的生物活性,是提取细胞外泌体的一种新方法。不过相对而言,获得的外泌体纯度可能相对差一点,且超滤过程的剪切力(shear stress)也对外泌体结构可能有一定影响。

(4)沉淀法:

沉淀的基本原理是使用聚合物分子结合水分子,以此降低外泌体在培养基、尿液等液体中的溶解度,通常使用聚乙二醇(polyethylene glycols, pegs)。沉淀法的最大便利在于不需要特定设备,就能获得较多量的外泌体,缺点在于杂质较多。

干细胞外泌体的优点

1. 体积小

纳米级粒子,大小约为细胞的1/200,能穿透一般毛细血管的细胞间隙抵达目标,因此能很好地被人体所利用。

2. 免疫反应程度低

外泌体作为细胞间信号传递的载体,外膜的表层上呈现较少的抗原,免疫系统难识别,无免疫排斥反应。

3. 可穿透血脑障壁

体积小加上脂质外膜的特性,使其可以通过血脑障壁,抵达脑部组织。

用途

(1)治疗性外泌体作为药物:

由于外泌体富含生物活性物质,其本身就有一定的治疗潜力。临床研究上已涉及心血管系统、内分泌代谢系统等。除了以上几个领域,干细胞外泌体还被应用到了糖尿病、骨关节炎、子宫内膜损伤修复、癌症等多种疾病领域。

(2)外泌体作为给药载体:

外泌体可以携带rna,dna,蛋白质等信号分子,因此可以作为治疗性生物大分子的给药载体。例如外泌体可以作为治疗性核酸药物的给药载体,将mrna、mirna等传递到靶细胞,从而调控目的基因的表达,来起到治疗作用。与以往的非病毒给药载体相比,外泌体作为给药载体,有较高的生物相容性和较低的免疫原性,可以由病人自体细胞培养获得,并且能够通过血脑屏障。

(3)促进创面的愈合:

干细胞外泌体不仅在临床上用于烧伤、皮肤溃疡、创伤等受损皮肤的修复治疗,并且在改善肤质、修复衰老中毒皮肤等也有功效。

作用机制

(1)msc-exo通过增强细胞增殖和迁移、抑制凋亡促进组织再生;

(2)外泌体中含有mrna、mirna以及各种抗凋亡和促血管生成因子,能诱导纤维芽细胞迁移、增殖及胶原合成,进内皮细胞的增殖、迁移,从而促进血管生成;

(3)mirna是非编码单链rna分子,由19-25个核苷酸组成,通过降解目的mrna或抑制翻译引起基因沉默,对细胞分化、增殖、凋亡、遗传调控作用,外泌体能传递mirna至靶细胞,发挥促进组织再生作用;

(4)细胞的快速增殖和浸润是由于外泌体cd73介导的丝氨酸苏氨酸激酶(akt)和细胞外调节蛋白激(extracellular signal-regulated kinase,erk) 信号分子。

应用案例

(1)促进创面的愈合:

2015年发表的“hucmsc-exosome mediated-wnt4 signaling is required for cutaneous wound healing”研究发现,间充质干细胞外泌体中含有有丰富的wnt蛋白,它能活化β-catenin信号通路,同时通过激活erk1/2信号通路正调控vegfa、cox-2、fgf2等(成血管基因)的表达,进而促进了二度烧伤大鼠模型深部创伤后血管的重生、胶原蛋白合成和皮肤损伤修复。

(2)在肝损伤疾病中的应用研究:

脐带msc-exo注射剂治疗急性和慢性肝损伤和四氯化碳诱导的肝肿瘤,抑制了急性肝损伤、肝纤维化以及肝肿瘤的生长,随后在体内和体外抑制了细胞凋亡和氧化应激。脐带msc-exo和不同的抗氧化剂具有保肝作用,而且,脐带msc-exo在抑制四氯化碳诱导的肝损伤和肿瘤发展中有很强的抗氧化活性。另一方面,在急性肝衰竭模型中,在体外和体内使用脐带msc-exo可降低nlrp3炎性体表达、炎性因子以及alt和ast水平。

(3)治疗骨关节炎:

发表在biomaterials上题为“exosome-mediateddelivery of kartogenin for chondrogenesis of synovial fluid-derived mesenchymal stem cells and cartilage regeneration”文章中,研究人员通过纳米外泌体将kgn定向递送到充质干细胞中,使kgn在细胞质中均匀分散,增加了其在细胞中的有效浓度,并强烈促进了充质干细胞在体内和体外的软骨形成,达到治疗骨关节炎的最终目的。

结语

间充质干细胞外泌体含有大量且种类繁多的蛋白质、细胞因子和生物活性物质。在抗心肌细胞凋亡、抗心肌细胞损伤、促进新生血管形成和抗炎等方面具有重要作用。在防治急性心肌梗死、高血压、心力衰竭和心肌病等方面具有一定的应用前景。 (责任编辑:美亚生物)

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