脂肪干細胞來源外泌體對膝骨關節炎作用機制的研究進展

王小強　謝興文　趙軍　徐世紅　王興盛　姜朝陽　丁聚賢　馬亞文　張淑秀　劉佳　白雪

【摘 要】 目前，治療膝骨關節炎的方式多樣且有效，但同時并發癥比較明顯。近年來，外泌體作為一種新的治療方式被關注，并且表現出巨大的臨床潛力。闡述膝骨關節炎與外泌體的關系，并介紹脂肪干細胞來源外泌體在免疫調節、成骨分化、細胞自噬三個方面的優勢，旨在為臨床治療膝骨關節炎提供新思路、新方法。

【關鍵詞】 膝骨關節炎；外泌體；脂肪干細胞；免疫反應；自噬；研究進展；綜述

膝骨關節炎（knee osteoarthritis，KOA）是導致老齡人群膝關節疼痛和殘疾的主要原因之一。膝關節軟骨病變和破壞，膝關節退行性改變、損傷，關節內應力失衡，軟骨下骨硬化和其他結構的破壞及修復之間的平衡失調是導致本病發生、發展的主要原因。KOA的癥狀和體征包括疼痛、僵硬、關節活動減少和肌肉無力［1］。流行病學研究表明，約30%的成年人有骨關節炎的放射征象，8.9%的成年人有臨床意義的膝關節或髖關節骨關節炎，其中KOA是最常見的類型［2］。我國一項基于全國人口的研究顯示，有癥狀的KOA總發病率為8.1%，且隨著年齡的增長KOA患病率不斷增加［3-4］。與KOA風險增加相關的因素包括年齡、性別、超重或肥胖、膝關節損傷、職業因素（如膝關節彎曲、重物搬運和下蹲），以及內翻或外翻等。KOA長期發展帶來的后果包括身體活動減少、病情惡化、睡眠受損、疲勞、抑郁和殘疾等。

目前，KOA的治療可分為非手術治療和手術治療。非手術治療包括非藥物和藥物治療，非藥物治療包括針灸、紅藍光照射、射頻電療等，藥物治療包括口服非甾體抗炎藥，中藥外敷、中藥塌漬、中藥涂擦，以及關節腔內藥物注射。治療存在一定的不良反應，如關節腔注射無法促進退變軟骨的修復或阻斷疾病發展的進程，且關節腔內注射治療KOA存在較大的爭議［5］；非甾體抗炎藥長期使用會增加胃腸道出血、穿孔和心血管疾病的風險［6］；外科手術是終末期KOA的最后手段，但存在術后傷口感染、屈伸活動受限等風險。基于此，臨床迫切需要一種新的治療方法降低或者消除藥物治療帶來的不良反應。

1 外泌體

學者最早發現一種在成因、大小、成分等方面有獨立特點的細胞外囊泡，該細胞外囊泡包括凋亡小體、微泡及外泌體（直徑30～150 nm），于是將其單獨分出來，外泌體含有信使RNA（mRNA）、微小核糖核酸（miRNAs）、長鏈非編碼RNA（lncRNA）、環狀RNA（circRNA）等多種核糖核酸分子，以及脂類、蛋白質、氨基酸等多種生物活性分子［7-8］。幾乎所有的細胞都能分泌外泌體，可通過其攜帶的生物活性大分子調節受體細胞的生物學活性，并參與細胞分化、遷移免疫應答等方面的信號傳遞，此外還參與細胞因子、mRNA、miRNAs和蛋白質等生化物質的轉運，并且通過遺傳物質的轉移在細胞間通信中發揮關鍵作用［9］。由于外泌體比干細胞小得多，很容易在體內循環并到達損傷部位，這樣便能避免大多數與細胞治療相關的問題。此外，外泌體的長期重復給藥不會引起毒性。來源于干細胞的外泌體是細胞治療的一個有前途的替代物［10］。

2 外泌體與KOA的聯系

外泌體作用廣泛，已被用于多種臨床研究。不同組織來源外泌體對KOA均有明確的治療作用，能夠減少軟骨內炎癥因子的產生，促進軟骨基質合成，延緩KOA進展［11］。關節軟骨細胞來源外泌體可介導軟骨細胞與靶細胞間的信號轉導；關節滑膜組織來源外泌體以及肌腱干細胞產生的外泌體可促進軟骨細胞分化和增殖，并抑制白細胞介素家族及腫瘤壞死因子-α等炎癥因子表達，同時抑制軟骨細胞凋亡［12］；間充質干細胞來源外泌體通過旁分泌的作用參與調節多項生理及病理過程，其中包括免疫反應、血管生成、骨形成等。綜上所述，外泌體參與KOA的病理過程，而脂肪干細胞來源外泌體（ADSCs-Exos）對于KOA作用機制也逐漸被挖掘出來。

3 ADSCs-Exos

ADSCs-Exos來源廣泛且容易獲得，因其具有多能分化潛能、增殖生長、旁分泌效應、免疫調節特性和更好的安全性，已成為組織再生、免疫調節和促進修復中最有前途的替代物之一。近年來，脂肪干細胞已成為組織工程領域的研究熱點。脂肪干細胞的多能體潛在作用主要依賴于旁分泌介導的機制，這種作用被認為是通過分泌多種物質來實現的，如可溶性細胞因子、生長因子、功能性蛋白質、脂質、微小核糖核酸、低分子量核糖核酸和細胞外囊泡［13］。而來自旁分泌脂肪干細胞，即ADSCs-Exos在細胞間通訊中作為介質發揮前所未有的作用［14］，不僅模擬了原始細胞的能力，而且可以有效避免有限的細胞存活、介導免疫反應、促進成骨分化、促進細胞自噬，從而發揮治療作用［15］。

3.1 介導免疫反應 炎癥是經典創傷修復4個階段中最早的反應，發生在缺血狀態下的24～48 h。

早期傷口愈合過程中會出現不同程度的炎癥反應，適度的炎癥反應有利于清除炎癥因子，對抗感染，清除細胞碎片，從而修復受損組織；不良的炎癥環境是慢性傷口發展的主要危險因素［15］。ADSCs-Exos通過調節免疫細胞以及炎癥因子釋放，發揮免疫調節功能［16］。KRUGER等［17］探索同種異體脂肪組織來源的間充質干細胞條件培養基對抗持續炎癥功效的研究，首次闡明了ADSCs-Exos在免疫受損的肥胖個體中恢復炎癥平衡的治療潛力。ZHAO等［18］發現，ADSCs-Exos通過攜帶有活性的反式激活精氨酸酶誘導巨噬細胞向抗炎表型轉化，從而減輕炎癥和胰島素抵抗，發揮調節免疫和代謝穩態的作用。ADSCs-Exos可促進原始CD4+ T細胞（淋巴細胞分類中的T輔助細胞）分化為輔助性T細胞和調節性T細胞，降低炎癥性T細胞應答，減少炎癥因子的產生［19］。

另一項研究發現，ADSCs-Exos降低促炎細胞因子水平，增加促血管生成因子，促進內皮細胞的增殖、遷移和管狀形成，從而加快血管的生成［20］。崔曉等［21］提出，體內因素（如激素水平異常、免疫力低下、周圍腫瘤組織、局部供血不良等）和體外因素如護理不當時，就會導致創面內炎癥反應增加，使創面愈合過程停滯在炎癥期，ADSCs-Exos能夠抑制炎癥反應，縮短創面的修復時間。彭譯萱等［22］研究發現，ADSCs-Exos可使創面表皮生長因子、血管內皮生長因子表達水平顯著升高，炎癥細胞浸潤減弱。ADSCs-Exos對T淋巴細胞有抑制作用，影響其細胞增殖過程，削弱免疫反應，推動創面修復過程由炎癥期向增殖期過渡，加速愈合進程［23］。

3.2 促進成骨分化 關節軟骨由軟骨細胞合成和分泌，是一種由軟骨細胞和細胞外基質組成的結締組織。包裹軟骨細胞的基質對軟骨關節起到潤滑和機械支撐的作用。雖然軟骨細胞只占軟骨總體積的1%，但它在維持基質的完整性方面發揮著不可替代的作用。KOA涉及整個關節結構，包括關節軟骨、滑膜、韌帶、軟骨下骨和關節周圍的肌肉，關節軟骨基質分解代謝與合成代謝失衡是形成本病最本質的原因［24］。抑制或延緩軟骨細胞被破壞，調節關節軟骨基質分解代謝與合成代謝成為治療的關鍵點。ADSCs-Exos對成骨的促進作用歸因于4個機制：一是在缺血和壞死微環境中減少凋亡的保護作用；二是趨化和增殖作用，以募集間充質干細胞并促進其增殖；三是促進血管形成的血管生成效應；四是直接發揮骨誘導作用，直接促進成骨分化。外泌體的前3種機制似乎來源于其母細胞的內在功能。當ADSCs-Exos應用于骨組織工程時，第4種機制為骨誘導效應隨之發生［25］，ADSCs-Exos在體外促進了細胞的遷移、增殖和成骨分化。

李婧等［26］生化檢測研究結果顯示，實驗組細胞內的堿性磷酸酶活性高于對照組，提示ADSCs-Exos可能提高人牙髓干細胞成骨分化能力，促進成骨細胞的產生。ADSCs-Exos更高效被同源細胞即脂肪干細胞攝取，經成骨誘導的ADSCs-Exos可以促進未分化脂肪干細胞成骨分化［27］。經典Wnt/β-catenin通路是參與干細胞成骨分化的重要通路之一。在脂肪干細胞成骨分化過程中，Wnt家族發揮重要作用［28］。β-catenin是此通路中關鍵調節分子，廣泛存在于細胞質內，受到Wnt信號激活后轉入細胞核內，調節目標基因［29］，促進脂肪干細胞成骨分化。崔夢瑩等［30］提取人脂肪干細胞，形成骨誘導后提取外泌體，按實驗目的分組處理后，檢測成骨標記物堿性磷酸酶活性，茜素紅檢測礦化程度，Western Blot檢測各組β-catenin蛋白表達情況，得出ADSCs-Exos能夠通過Wnt/β-catenin信號通路促進脂肪干細胞成骨分化。朱夢茹［31］通過酶消化法分離培養原代脂肪干細胞并進行鑒定，超速離心法提取脂肪干細胞未成骨誘導，成骨誘導外泌體后進行相關實驗，發現脂肪干細胞成骨誘導分泌的ADSCs-Exos能夠被原始脂肪干細胞高效攝取，并且進入細胞內獨立作用誘導脂肪干細胞增殖、遷移，成骨分化。吳江怡［32］通過給KOA模型小鼠注射髕下脂肪墊干細胞來源的外泌體后發現，髕下脂肪墊干細胞外泌體可保護KOA小鼠軟骨，并改善小鼠的異常步態。此外，髕下脂肪墊干細胞外泌體可促進KOA軟骨細胞增殖、抑制軟骨細胞凋亡、促進軟骨基質的合成，并增強KOA軟骨細胞的自噬水平。

3.3 促進自噬 關節軟骨是肌肉骨骼系統的組成部分，在關節運動過程中吸收壓縮力和剪切力，軟骨老化和結構變化的發展與細胞穩態機制的失敗有關，如自噬［33］。自噬是一個通稱，是所有細胞質物質被傳遞到動物細胞中的溶酶體或植物細胞和酵母細胞中液泡的途徑。自噬通過溶酶體降解受損的蛋白質和細胞器，在維護蛋白質、線粒體的質量和細胞內穩態及機體發育、分化和組織重塑方面都起著重要作用［34］。自噬大致分為3類：大自噬、微自噬和伴侶介導的自噬。自噬在幾乎所有組織中都至關重要，細胞自噬具有多功能性，例如與腸道生物學、細胞發育和分化、細胞和組織重塑、骨微環境、腫瘤、抗衰老等［35］方面都有一定的關聯。

GLICK等［36］認為，自噬的發生可分為以下幾個步驟，包括起始、成核、伸長、成熟和降解。隨著這些自噬體的形成，螯合產物的降解提供了氨基酸、核苷酸、糖和脂肪酸，用于維持整個組織甚至身體的穩定狀態。在臨床和流行病學上，衰老與KOA的關系已經得到證實。與衰老相關的危險因素，如組織和細胞再生能力有限、炎癥介質表達增加、氧化應激等，引起軟骨基質和細胞的損傷，促進KOA的發生和發展［37］。隨著人體的衰老，細胞的基本自噬活性降低，清除效率下降，隨后，各種大分子蛋白質的聚集增加，導致最終的細胞變性和功能缺陷，甚至凋亡。自噬和KOA的機制研究衰老與KOA之間的聯系已經在臨床和流行病學中得到證實［38］。當氧化應激發生時，自噬會被激活，受損的線粒體可以被清除，細胞內活性氧減少，保護軟骨細胞免受KOA的負面影響，從而抑制軟骨細胞凋亡［39］。自噬通過介導細胞凋亡和軟骨細胞活性氧產生參與KOA的發生、發展［40］。當自噬被激活時，受損的線粒體可以被清除，細胞內軟骨細胞活性氧減少，保護軟骨細胞免受KOA的負面影響［38］。

4 小結與展望

ADSCs-Exos對于KOA是有效的，但仍存在不足。一是ADSCs-Exos因其所擁有的特性，導致在臨床中的治療具有廣泛性，可運用于組織再生及修復重建等方面；但是，每一個作用機制的研究還不夠深入，泛而不深。比如，介導免疫反應具體是哪一個因子？其機制認識仍不深刻。二是細胞自噬具有多功能性，與腸道生物學、細胞發育和分化、細胞和組織重塑、骨微環境、腫瘤、抗衰老等相關，同樣也具有廣泛性。三是通過查閱發現，微環境與疾病的發生、發展存在聯系。因此，筆者認為，ADSCs-Exos是否可以改變KOA患者的微環境狀態，從而起到治療作用有待考究，可能會為臨床治療KOA提供新思路、新方法。

參考文獻

［1］ HAVIV B，BRONAK S，THEIN R.The complexity of pain around the knee in patients with osteoarthritis［J］.Isr Med Assoc J，2013，15（4）：178-181.

［2］ KAN HS，CHAN PK，CHIU KY，et al.Non-surgical treatment of knee osteoarthritis［J］.Hong Kong Med J，2019，25（2）：127-133.

［3］ MICHAEL JW，SCHLüTER-BRUST KU，EYSEL P.The epidemiology，etiology，diagnosis，and treatment of osteoarthritis of the knee［J］.Dtsch Arztebl Int，2010，107（9）：152-162.

［4］ TANG X，WANG S，ZHAN S，et al.The prevalence of symptomatic knee osteoarthritis in China：results from the China health and retirement longitudinal study［J］.Arthritis Rheumatol，2016，68（3）：648-653.

［5］ 李哲，陳斐斐，韓小康，等.山藥多糖關節腔注射對兔膝關節骨性關節炎炎癥因子及關節軟骨代謝的影響［J］.中國實驗方劑學雜志，2021，27（23）：88-96.

［6］ 王璐，徐穎，徐盼瑜，等.基于Wnt/Ca2+信號通路探究盤龍七片干預大鼠實驗性膝骨關節炎疼痛的作用機制［J］.中草藥，2022，53（7）：2044-2052.

［7］ ASGHAR S，LITHERLAND GJ，LOCKHART JC，et al.

Exosomes in intercellular communication and implications for osteoarthritis［J］.Rheumatology（Oxford），2020，59（1）：57-68.

［8］ 羅文禮，何容真，張峰，等.外泌體源性circ_0009362調控miR-29b-3p介導人骨髓間充干細胞成骨分

化［J］.中華內分泌外科雜志，2021，15（6）：627-631.

［9］ MATHIEU M，MARTIN-JAULAR L，LAVIEU G，et al.

Specificities of secretion and uptake of exosomes and other extracellular vesicles for cell-to-cell communication［J］.Nat Cell Biol，2019，21（1）：9-17.

［10］ LOU G，CHEN Z，ZHENG M，et al.Mesenchymal stem cell-derived exosomes as a new therapeutic strategy for liver diseases［J］.Exp Mol Med，2017，49（6）：e346-e356.

［11］ ZHOU Q，CAI Y，JIANG Y，et al.Exosomes in osteoarthritis and cartilage injury：advanced development and potential therapeutic strategies［J］.Int J Biol Sci，2020，16（11）：1811-1820.

［12］ WANG Y，HE G，GUO Y，et al.Exosomes from tendon stem cells promote injury tendon healing through balancing synthesis and degradation of the tendon extracellular matrix［J］.J Cell Mol Med，2019，23（8）：5475-5485.

［13］ HU L，WANG J，ZHOU X，et al.Exosomes derived from human adipose mensenchymal stem cells accelerates cutaneous wound healing via optimizing the characteristics of fibroblasts［J］.Sci Rep，2016，6（1）：32993-33004.

［14］ BANG C，THUM T.Exosomes：new players in cell-cell communication［J］.Int J Biochem Cell Biol，2012，44（11）：2060-2064.

［15］ QIU H，LIU S，WU K，et al.Prospective application of exosomes derived from adipose-derived stem cells in skin wound healing：a review［J］.J Cosmet Dermatol，2020，19（3）：574-581.

［16］ 李建毅，劉志遠，鄧呈亮.脂肪干細胞來源外泌體在組織再生修復中的作用及熱點分析［J］.中國組織工程研究，2022，26（13）：2093-2098.

［17］ KRUGER MJ，CONRADIE MM，CONRADIE M，et al.

ADSC-conditioned media elicit an ex vivo anti-inflammatory macrophage response［J］.J Mol Endocrinol，2018，61（4）：173-184.

［18］ ZHAO H，SHANG Q，PAN Z，et al.Exosomes from adipose-derived stem cells attenuate adipose inflammation and obesity through polarizing M2 macrophages and beiging in white adipose tissue［J］.Diabetes，2018，67（2）：235-247.

［19］ BOLANDI Z，MOKHBERIAN N，EFTEKHARY M，et al.

Adipose derived mesenchymal stem cell exosomes loaded with miR-10a promote the differentiation of Th17 and Treg from naive CD4+T cell［J］.Life Sci，2020，259（1）：118218-118229.

［20］ ZHU D，JOHNSON TK，WANG Y，et al.Macrophage M2 polarization induced by exosomes from adipose-derived stem cells contributes to the exosomal proangiogenic effect on mouse ischemic hindlimb［J］.Stem Cell Res Ther，2020，11（1）：162-175.

［21］ 崔曉，郭冰玉，回薔，等.脂肪來源干細胞治療慢性創面的研究進展［J］.中國美容整形外科雜志，2021，32（6）：383-385.

［22］ 彭譯萱，肖志波.脂肪干細胞外泌體在創面修復中的研究進展［J］.中國美容整形外科雜志，2021，32（2）：125-127.

［23］ 劉俊輝，譚軍.脂肪干細胞（ADSCs）在瘢痕防治中的基礎研究進展［J］.中國美容醫學，2017，26（3）：132-134.

［24］ 孟洪森，左秀芹，王寧，等.富血小板血漿治療膝關節骨性關節炎的現狀［J］.中國骨與關節損傷雜志，2021，36（8）：894-896.

［25］ LI W，LIU Y，ZHANG P，et al.Tissue-engineered bone immobilized with human adipose stem cells-derived exosomes promotes bone regeneration［J］.ACS Appl Mater Interfaces，2018，10（6）：5240-5254.

［26］ 李婧，張發奎，鄧智元，等.脂肪干細胞外泌體對人牙髓干細胞增殖與成骨分化的影響［J］.中國臨床藥理學雜志，2021，37（21）：2910-2913.

［27］ 楊淑德.外泌體介導miR-130a-3p轉運在調控ADSCs成骨分化中的作用及相關機制研究［D］.沈陽：中國醫科大學，2020.

［28］ SHAO XR，LIN SY，PENG Q，et al.Effect of tetrahedral DNA nanostructures on osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells via activation of the Wnt/β-catenin signaling pathway［J］.Nanomedicine，2017，13（5）：1809-1819.

［29］ AHMADZADEH A，NOROZI F，SHAHRABI S，et al.

Wnt/β-catenin signaling in bone marrow niche［J］.Cell Tissue Res，2016，363（2）：321-335.

［30］ 崔夢瑩，郭澍，佟爽，等.脂肪干細胞來源外泌體通過Wnt/β-catenin信號通路促進脂肪干細胞成骨分

化［J］.中國醫科大學學報，2019，48（2）：114-118.

［31］ 朱夢茹.人脂肪干細胞來源外泌體促進脂肪干細胞成骨分化的作用研究［D］.沈陽：中國醫科大學，2019.

［32］ 吳江怡.髕下脂肪墊干細胞來源的外泌體參與軟骨損傷修復的作用和機制研究［D］.重慶：中國人民解放軍陸軍軍醫大學，2019.

［33］ LOTZ MK，CARAMES B.Autophagy and cartilage homeostasis mechanisms in joint health，aging and

OA［J］.Nat Rev Rheumatol，2011，7（10）：579-587.

［34］ 趙戰芝，姜志勝.我國動脈粥樣硬化基礎研究幾個熱點領域的新進展［J］.中國動脈硬化雜志，2019，27（8）：645-654.

［35］ MIZUSHIMA N，KOMATSU M.Autophagy：renovation of cells and tissues［J］.Cell，2011，147（4）：728-741.

［36］ GLICK D，BARTH S，MACLEOD KF.Autophagy：

cellular and molecular mechanisms［J］.J Pathol，2010，

221（1）：3-12.

［37］ RAHMATI M，NALESSO G，MOBASHERI A，et al.

Aging and osteoarthritis：central role of the extracellular matrix［J］.Ageing Res Rev，2017，40（1）：20-30.

［38］ DUAN R，XIE H，LIU ZZ.The role of autophagy in osteoarthritis［J］.Front Cell Dev Biol，2020，8（1）：608388-608396.

［39］ SHAPIRO IM，LAYFIELD R，LOTZ M，et al.Boning up on autophagy：the role of autophagy in skeletal

biology［J］.Autophagy，2014，10（1）：7-19.

［40］ 王浩，陳群超，殷麗麗.自噬在骨關節炎軟骨細胞退變中表達的研究［J］.風濕病與關節炎，2021，10（4）：1-4，31.

收稿日期：2023-04-01；修回日期：2023-06-09

基金項目：甘肅省科技計劃項目（22YF7FA104）；蘭州市人才創新創業項目（2020-RC-55）

作者單位：1.甘肅省中醫院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅中醫藥大學附屬醫院，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省第二人民醫院，甘肅 蘭州 730030；4.廣河縣婦幼保健院，甘肅 廣河 731300

通信作者：趙軍 甘肅省蘭州市七里河區瓜州路418號，673078008@qq.com