臍帶間充質(zhì)干細胞外泌體在腫瘤治療中的研究進展

李香影, 剛喬健, 牟力圓, 盛英達, 哈小琴

(1. 甘肅中醫(yī)藥大學 公共衛(wèi)生學院, 甘肅 蘭州, 730000;2. 解放軍聯(lián)勤保障部隊第九四〇醫(yī)院, 甘肅 蘭州, 730050;3. 甘肅省干細胞與基因藥物重點實驗室, 甘肅 蘭州, 730050;4. 蘭州大學第二臨床醫(yī)學院, 甘肅 蘭州, 730000)

美國癌癥協(xié)會2021年發(fā)布的全球癌癥統(tǒng)計報告[1]顯示，結(jié)直腸癌、乳腺癌、前列腺癌及肺癌的病死率呈下降趨勢，近年來治療方法的進步是主要原因之一。傳統(tǒng)手術、放化療等抗腫瘤方法有嚴重副作用，迫切需要一種安全有效的治療方法。外泌體是納米級細胞外囊泡，具有生物相容性好、免疫原性低、毒性低和靶向特異性好等優(yōu)點[2]。間充質(zhì)干細胞外泌體(MSC-Exo)作為一種極具潛力的靶向治療方法，近年來引起了研究者的廣泛關注。本文綜述了臍帶間充質(zhì)干細胞外泌體(UC-MSC-Exo)抗腫瘤的作用機制及治療潛力，以期為進一步研究和開發(fā)基于UC-MSC-Exo的腫瘤治療提供新思路。

1 UC-MSC-Exo的特性與腫瘤

間充質(zhì)干細胞(MSCs)是一類具有自我更新能力和多向分化潛能的多能干細胞，由于其具有強大的免疫調(diào)節(jié)和組織再生修復能力及免疫抑制特性, MSCs療法已成為治療癌癥的新策略。臍帶間充質(zhì)干細胞(UC-MSCs)是一種來源于臍帶組織的干細胞，其獲取方式對機體的侵入性較小，免疫原性低，易于分離培養(yǎng)，無倫理道德問題[3], 因此近年來在臨床得到廣泛應用。截至2022年7月，共有357項UC-MSCs臨床試驗注冊于美國國家衛(wèi)生研究院臨床試驗注冊網(wǎng)站，其中10項涉及腫瘤治療。UC-MSCs具有較強的細胞增殖能力和修復能力，參與調(diào)節(jié)腫瘤進展和免疫應答。研究[4-5]表明, UC-MSCs可以通過外泌體作用于免疫細胞，從而延緩腫瘤細胞的生長。

外泌體直徑為30～50 nm, 是一種由細胞內(nèi)多泡體與細胞膜融合后釋放出的小囊泡，含有蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)等成分，在介導細胞間物質(zhì)傳遞及信息交流中發(fā)揮重要作用[6]。由于結(jié)構類似于細胞膜，外泌體不僅具有良好的耐受性，而且能夠逃避免疫系統(tǒng)細胞的吞噬[7]。研究[8]表明，外泌體參與腫瘤微環(huán)境(TME)調(diào)節(jié)，對腫瘤的增殖和進展起著重要作用。此外，外泌體可“識別”特定細胞，通過外泌體傳遞治療藥物比其他生物載體(如脂質(zhì)體)具有更好的療效和較小的脫靶效應。因此，外泌體可以用于治療性遞送小分子、蛋白質(zhì)和 RNA, 從而高效靶向癌細胞。與MSCs相比, MSC-Exo具有相同或更好的治療效果，并且避免了MSCs引起的免疫排斥等不良反應，在與腫瘤細胞相互作用的過程中表現(xiàn)出更好的組織穿透性、生物相容性和穩(wěn)定性[9]。

UC-MSC-Exo既保留了UC-MSCs的優(yōu)點，又具有外泌體相關優(yōu)勢，已經(jīng)成為納米藥物傳遞的主要載體。目前，它們已經(jīng)在包括腫瘤、神經(jīng)退行性疾病和免疫疾病在內(nèi)的多種疾病治療中得到應用。另外，外泌體結(jié)合工程化技術可以提高藥物的靶向作用[10]。一項應用外泌體攜帶小分子STING激動劑治療晚期實體瘤的Ⅰ/Ⅱ期臨床試驗正式啟動[11]。2021年1月，美國開展了一項利用MSC-Exo裝載KrasG12D相關特異性的小分子干擾核糖核酸(siRNA)來抑制胰腺癌的Ⅰ期臨床研究(臨床試驗 ID: NCT03608631), 結(jié)果將于2023年3月公布。此外, YUAN L等[12]證實，過表達微小核糖核酸(miRNA)-148b-3p的UC-MSC-Exo可抑制乳腺癌細胞(MDA-MB-231)的增殖。以上結(jié)果表明, UC-MSC-Exo是一種理想的腫瘤藥物遞送系統(tǒng)。

2 UC-MSC-Exo在抗腫瘤中的作用及機制

2.1 促進抗腫瘤免疫反應

TME是一個由內(nèi)皮細胞、成纖維細胞、免疫細胞、腫瘤細胞、MSCs等構成的復雜生態(tài)系統(tǒng)。MSCs是TME中的重要組成部分，作用是調(diào)節(jié)機體免疫功能[13], 從而延緩腫瘤生長。研究[14]表明, MSCs能使巨噬細胞極化為M2表型，減少中性粒細胞和樹突狀細胞數(shù)量，從而達到免疫抑制的目的。此外, MSCs還能通過趨化因子配體2(CCL2)通路增強CD4+和CD8+T淋巴細胞的增殖[15]。腫瘤免疫編輯理論將腫瘤免疫劃分為3個時期: 免疫監(jiān)視期，免疫平衡期和免疫逃逸期。在這3個時期中，腫瘤細胞和免疫細胞通過外泌體介導的方式頻繁溝通，特別是在腫瘤逃逸階段。外泌體是TME中一種重要的免疫調(diào)控介質(zhì)，可以通過直接活化CD4+和 CD8+T淋巴細胞等多種途徑將抗原和信號轉(zhuǎn)移到抗原呈遞細胞[16]。MSC-Exo還可以通過調(diào)節(jié)腫瘤免疫反應介質(zhì)(包括先天性和適應性)的產(chǎn)生來影響腫瘤進展。MSC-Exo主要介導免疫抑制。研究[4]發(fā)現(xiàn), UC-MSC-Exo可以通過抑制炎性巨噬細胞的浸潤和功能、抑制炎性 Th17 細胞的分化、降低促炎細胞因子的表達以及誘導抗炎細胞的分化來改善潰瘍性結(jié)腸炎。LI D等[17]發(fā)現(xiàn), UC-MSC-Exo通過釋放miR-182增加T細胞和自然殺傷(NK)細胞數(shù)量來調(diào)節(jié)腫瘤細胞對免疫細胞的敏感性，從而促進對腫瘤細胞的殺傷力。結(jié)果表明, UC-MSC-Exo能通過調(diào)控機體的免疫應答來增強機體的抗腫瘤免疫能力，從而抑制腫瘤進展。

2.2 抑制腫瘤增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移

MSC-Exo是MSCs與腫瘤微環(huán)境(TME)相互作用的橋梁，可以通過傳遞功能性生物分子(如蛋白質(zhì)、RNA等)來調(diào)控TME，影響腫瘤進展。特別是外泌體miRNA，外泌體的閉合功能可以阻止miRNA被降解，使其轉(zhuǎn)移至受體細胞并參與多種腫瘤相關的生物過程，在TME及腫瘤治療中扮演著關鍵角色。越來越多研究證明，來自UC-MSC-Exo的miRNA可以在多種癌癥中發(fā)揮抗腫瘤作用。JIA Y等[18]將過表達miR-139-5p的UC-MSC-Exo與膀胱癌細胞共培養(yǎng)發(fā)現(xiàn), UC-MSC-Exo可將miR-139-5p轉(zhuǎn)移到膀胱癌細胞中，通過靶向下調(diào)膀胱癌中多梳狀抑制因子復合物1(PRC1)來阻止膀胱癌細胞的增殖、遷移和侵襲。UC-MSC-Exo也可以通過釋放腫瘤抑制性的miR-3940-5p來下調(diào)癌蛋白整合素α6(ITGA6)表達，從而抑制結(jié)直腸癌細胞的生長、侵襲和轉(zhuǎn)移[17]。此外, UC-MSC-Exo可以通過向腫瘤細胞傳遞miRNA來激活特定的信號通路進而控制腫瘤進展。QIU L等[19]指出, UC-MSC-Exo的miR-146a可以通過靶向?qū)诱尺B蛋白亞基γ2(LAMC2) 來調(diào)節(jié)磷脂肌醇3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B (AKT) 信號通路，從而降低卵巢癌細胞的生長和化學抗性。另一項研究[20]表明，含有miR-302a的工程UC-MSC-Exo能夠通過抑制cyclin D1和AKT信號通路的表達來抑制子宮內(nèi)膜癌細胞的增殖、遷移。HE Z等[21]通過皮下注射KYSE70細胞建立裸鼠皮下異種移植腫瘤模型將過表達miR-375 agomir的UC-MSC-Exo(exo-miR-375 agomir)注入裸鼠體內(nèi)。結(jié)果顯示，與注射生理鹽水的小鼠相比，注射exo-miR-375 agmoir的小鼠腫瘤體積和重量顯著減少且腫瘤組織中的細胞層和細胞結(jié)構更加完整。實驗證明, UC-MSC-Exo遞送的miR-375通過下調(diào)靶基因ENAH、滅活Bcl-2信號通路來抑制食管鱗狀細胞癌(ESCC)細胞增殖、侵襲和遷移[21]。

2.3 減少血管生成

血管生成在腫瘤發(fā)生過程中起著關鍵作用。血管為腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移提供氧氣和營養(yǎng)，促進腫瘤的發(fā)展。外泌體可以通過將信息傳遞給內(nèi)皮細胞從而誘導抗血管生成信號的產(chǎn)生，并能根據(jù) TME的改變調(diào)整其內(nèi)容物的組成來調(diào)節(jié)血管形成[22]。外泌體miRNA介導的信號轉(zhuǎn)導能促進這一過程，在血管生成中起著重要作用。MSCs可通過分泌外泌體的方式調(diào)控VEGF的表達從而抑制血管生成。MSC-Exo攜帶的microRNA-100可以通過哺乳動物雷帕霉素蛋白(mTOR)/缺氧誘導因子1A(HIF1A)/血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)信號軸抑制血管生成進而抑制乳腺癌發(fā)展[23]。另有研究[24]表明, MSC-Exo來源的miRNA-16可以顯著且劑量依賴性地下調(diào)VEGF的表達，抑制乳腺癌細胞血管生成。此外, ROSENBERGER L等[25]發(fā)現(xiàn), MSC-Exo可下調(diào)VEGF的表達，抑制口腔鱗狀細胞癌的生長。UC-MSC-Exo還可通過降低AKT磷酸化水平和促進caspase-3的產(chǎn)生，從而對膀胱癌的增殖起到抑制作用。

2.4 提高腫瘤細胞的藥物敏感性

腫瘤細胞對化療藥物的耐藥性是導致腫瘤治療效果不佳的主要原因。MSC-Exo與TME的調(diào)控類似，對腫瘤的耐藥性起著重要作用。近年來, MSC-Exo表達的miR-199a可以通過mTOR通路增強肝細胞癌(HCC)的化療敏感性，證明攜帶miR-199a的MSC-Exo可作為一種提高HCC化療敏感性的新策略[26]。劉強等[27]研究表明, UC-MSCs可將miR-145轉(zhuǎn)移到外泌體中，并被腎細胞癌(RCC)吸收，提高舒尼替尼對裸鼠體內(nèi)和體外RCC的耐藥性。其研究還證明, UC-MSC-Exo可以通過激活半胱天冬酶信號通路來增強人白血病細胞(K562細胞)對伊馬替尼的敏感性。研究[28]顯示, UC-MSC-Exo對抗藥性的調(diào)節(jié)可以提高其在消化道腫瘤中的潛在作用和療效。

3 UC-MSC-Exo在抗腫瘤治療中的應用

3.1 作為細胞載體

目前，化療已成為最常用的腫瘤治療方案，但是，全身輸注化療藥物會引起一系列不良反應，如惡心、嘔吐、心肌病、脫發(fā)等。因此，有效的腫瘤靶向療法已成為提高療效的關鍵。迄今為止，用于腫瘤治療的藥物遞送系統(tǒng)(DDS)主要包括合成聚合物、脂質(zhì)體、膠束、超磁顆粒、蛋白質(zhì)和重組病毒載體[29-30]。但是，當其應用于靶向治療時，大多數(shù)納米載體難以穿過血腦屏障、穿透組織或被受體細胞吸收[31]。外泌體具有低免疫原性、低毒性、半衰期長等優(yōu)點，已成為新一代腫瘤治療的理想載體[32-33]。由于外泌體與細胞膜的結(jié)構及成分相似，其不但具有良好的耐受性而且能夠逃避免疫系統(tǒng)細胞的吞噬[7]。此外，作為藥物遞送載體的外泌體能夠長期儲存并維持其穩(wěn)定性和活性[31]。許多藥物和生物分子包括siRNA、miRNA、蛋白質(zhì)、小分子藥物等，都被成功地應用于腫瘤的治療[34]。

MSCs 是目前已知的唯一一種可以大規(guī)模產(chǎn)生外泌體的細胞[35]。在趨化因子誘導下, MSCs能通過循環(huán)系統(tǒng)進入病變組織，并能主動靶向癌細胞，既能增強藥物作用又能減少各種不良反應。MSC-Exo不僅能夠轉(zhuǎn)移到腫瘤組織中[36], 而且能夠通過血管滲漏在腫瘤組織中沉積，進一步增強其固有的歸巢效應。MELZER C等[37]研究證明，含有紫杉醇的UC-MSC-Exo可以靶向乳腺癌組織，顯著抑制腫瘤生長。UC-MSC-Exo是一種特異且高效的靶向藥物，有望成為治療腫瘤藥物最有前途的載體。

3.2 生物工程外泌體

近些年，外泌體膜修飾、載荷封裝和外泌體體內(nèi)處置的調(diào)節(jié)引起廣泛研究[38]。除共培養(yǎng)、電穿孔、凍融和機械擠壓等傳統(tǒng)的構建工程外泌體的技術外，基因工程已成為更有發(fā)展前景的選擇[39]。外泌體是一種天然的藥物遞送載體，它可以滲透到機體組織中并通過生物工程的方式提高靶向性。生物工程化的外泌體能夠?qū)⑿枰膬?nèi)容物進行轉(zhuǎn)移并增強靶向特異性，從而具有更高的治療潛力。生物工程化的 MSC-Exo具有較強的腫瘤趨向性、低免疫原性、高耐受性和納米顆粒等特點，是一種新型的腫瘤藥物載體[7]。MSC-Exo可以通過對細胞或外泌體的直接修飾，將不同的抗癌成分包裝到MSC-Exo中，包括 miRNA、siRNA、mRNA、藥物和蛋白質(zhì)[40]。例如，工程化的UC-MSC-Exo含有miR-302a, 能夠抑制cyclinD1和AKT信號通路的表達，從而對子宮內(nèi)膜癌細胞的增殖和遷移起到抑制作用[20]。李洪強[41]應用CRISPR/Cas9技術定點敲入SV40LT基因，成功構建永生化UC-MSCs細胞系，并采用慢病毒系統(tǒng)構建MYC-AS1轉(zhuǎn)基因細胞系。研究[41]發(fā)現(xiàn)，該轉(zhuǎn)基因細胞系的外泌體具有高水平的MYC基因的長非編碼反義RNA(MYC-AS1)，對肝癌細胞HepG2具有明顯的抑制作用，對UC-MSCs及其外泌體的基礎研究和臨床應用具有重要指導意義。XIE X等[42]發(fā)現(xiàn)，含有 hsa-miRNA-128-3p 的UC-MSC-Exo可通過靶向 Galectin-3從而抑制胰腺癌細胞的增殖、侵襲和遷移，表明UC-MSC-Exo是胰腺癌治療的一種潛方法。XIE H等[43]研究發(fā)現(xiàn)，含有miR-320a的UC-MSC-Exo可能通過SOX4蛋白/Wnt/β-連環(huán)蛋白軸抑制肺癌細胞生長，證明UC-MSC-Exo在肺癌治療中的作用。LI T等[44]將含有miR-3940-5p的UC-MSC-Exo轉(zhuǎn)染到結(jié)直腸腫瘤細胞，發(fā)現(xiàn)其通過下調(diào)ITGA6的表達和抑制轉(zhuǎn)化生長因子β1(TGF-β1)信號通路的活性來抑制CRC細胞的上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化、侵襲和轉(zhuǎn)移。實驗結(jié)果表明，來自 UC-MSCs 細胞外囊泡的miR-127-3p 通過靶向ITGA6發(fā)揮抗腫瘤作用，其可作為一種新的絨毛膜癌治療策略[44]。MA H等[45]發(fā)現(xiàn), UC-MSC-Exo可保護和貯藏豐富的miRNA, 向絨毛膜癌細胞系ITGA6轉(zhuǎn)移miR-127-3p。實驗結(jié)果表明，由UC-MSC-Exo分泌的miR-127-3p可通過靶向ITGA6抑制絨毛膜癌細胞的上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，發(fā)揮抗腫瘤效應[45]。

4 小 結(jié)

近年來，外泌體已成為腫瘤新型療法研究的焦點。UC-MSC-Exo具有較強的腫瘤抑制性、強腫瘤趨向性、低免疫原性、高耐受性和生物相容性等優(yōu)點，已成為治療腫瘤靶向藥物的最佳載體之一。多項研究證明，外泌體結(jié)合工程技術可以進一步提高藥物的特異性和靶向性。但是，目前UC-MSC-Exo在抗腫瘤方面仍存在諸多問題亟需解決。首先, UC-MSC-Exo影響腫瘤生長和侵襲的機制尚不完全明確，仍有少數(shù)UC-MSC-Exo可以促進腫瘤進展。因此，必須仔細鑒別外泌體在腫瘤中的作用。其次，外泌體和靶細胞結(jié)合后的融合及物質(zhì)排出還需更深入研究。目前，外泌體療法已進入臨床試驗階段，外泌體作為藥物載體必須評估其給藥途徑、劑量、效率和成本。臨床應用前必須為生物工程化UC-MSC-Exo的培養(yǎng)條件、修飾、生產(chǎn)、純化、表征和儲存建立完善的系統(tǒng)標準。

綜上所述, UC-MSC-Exo可以通過免疫調(diào)節(jié)、抑制腫瘤細胞增殖侵襲、減少血管生成和提高藥物敏感性等方式發(fā)揮抗腫瘤作用，同時還具有良好的腫瘤靶向性，已成為有前景的抗腫瘤藥物遞送系統(tǒng)。但目前UC-MSC-Exo 在腫瘤治療方面的應用尚處在初級階段，有待于更多的研究推動其從臨床前研究轉(zhuǎn)向臨床實踐。相信隨著蛋白質(zhì)組學、基因組學和納米技術的不斷發(fā)展，其臨床應用必將取得重大進展。