南京医科大学：缺氧下的间充质干细胞来源的外泌体通过转移miR-126促进骨折愈合
外泌体包裹蛋白质和RNA等内容物，在各种疾病治疗中的具有潜在价值。然而，在缺氧条件下源于MSC的外泌体在体内促进骨折愈合的潜在机制是未知的。来自南京医科大学第一附属医院（江苏省人民医院）蔡卫华课题组的研究人员在Acta Biomaterialia（IF=6.638）杂志上发表文章，揭示缺氧预处理通过激活HIF-1α介导了外泌体miR-126的产生，并预测低氧预处理作为一种有效方法，用于改善MSC衍生的外泌体对骨折愈合的治疗作用。
据估计，在美国每年约有1500万新发生的骨折患者，主要由车祸、运动伤害或工作事故引起的。此外，这些患者中有很大比例（10-15％）会发生骨骼愈合延迟或不愈。延迟和不愈合都需要额外的延长或重复治疗，这对治疗成本和生活质量都产生了重大影响。骨折的修复是一个复杂的过程，需要利用内源性的细胞再生潜力来恢复原始的骨骼结构。迄今为止已经对涉及骨折愈合的几个主要调节因素进行了许多相关研究。在这些调节过程中，血管生成在骨代谢中具有重要作用。在骨折愈合过程中，内皮细胞侵入生长板区域的软骨中以提供营养，并作为骨形成的新支架。在血管生成期间涉及了许多过程，包括内皮细胞的增殖和迁移、毛细血管的形成以及间充质干细胞(MSC)的固定。但是近年来对骨折的治疗研究进展比较缓慢。
MSC的移植在一些疾病模型中已经显示出治疗效果，包括在稳定的骨折模型中促进成骨和血管生成。但是，当将MSC直接移植到目标组织中时，仍然存在局限性和挑战。例如，在缺血组织中移植的干细胞的存活率极低。此外，其他相关风险也限制了移植MSC在临床上帮助骨折愈合，包括免疫排斥、细胞去分化和肿瘤形成。最近关于MSC在组织再生中的作用研究表明，旁分泌机制可能参与了MSC在治疗多种疾病中的基本作用机制，而外泌体可能在此过程中起重要作用。
外泌体是细胞旁分泌的重要成分，起源于内体膜的内陷。外泌体衍生自50至150 nm的多囊泡体，并通过与质膜融合释放到细胞外空间，同时可保护其内容物不被降解。外泌体参与生物化学物质的运输，例如细胞因子、mRNA、miRNA和蛋白质，因此在遗传物质转移的细胞间通讯中起着至关重要的作用。值得注意的是，外泌体的特定表面配体可确保其与靶细胞结合并释放其内容物，最终调节特定的生物学功能。已经证实，外泌体的移植表现出与直接移植的干细胞相似的治疗效果和功能特性，但引起的不良反应要少的多。最近的一项研究表明，在心肌梗死模型中，源自MSC的外泌体可以促进血管生成。同样，源自人脐带间充质干细胞（HucMSC）的外泌体可减轻大鼠肝缺血再灌注损伤。研究人员此前的研究表明，来自干细胞的外泌体可通过抑制神经元细胞凋亡并促进自噬来增强脊髓损伤后的功能恢复。在移植物抗宿主病（GvHD）中，已经有患者成功用MSC外泌体实施了治疗。
氧的浓度在MSC的增殖、分化和自我更新过程中被认为是至关重要的。但是，在体外培养条件下，MSC通常会暴露于常氧（21％O2），这与自然生理条件下体内的氧气浓度非常不同。实际上，体内大量的MSC存在于低氧环境中（2％–8％O2甚至更低）。最近的一项研究从MSC中分离了外泌体，这些外泌体在与外周动脉疾病相似的培养基中生长(0％FBS,1％O2)，发现这些外泌体包含许多可能对缺血组织有益的促血管生成因子。利用心脏梗死模型的一项研究发现，低氧处理后的MSC的外泌体表现出血管形成能力增加，心肌细胞凋亡率降低并且心脏祖细胞募集增加。研究人员此前的研究表明，缺血缺氧预处理可以在大鼠缺血再灌注损伤模型中抑制细胞死亡。实际上，MSC的缺氧前提可以显著增强其生物学功能和活性，从而提高MSC在治疗各种疾病模型中的移植效力。然而，尚不清楚缺氧条件下的MSC是否能促进骨折愈合，以及这种增强是否由外泌体信号介导。
在本研究里，研究人员旨在确定缺氧下来自MSC的外泌体（Hypo-Exos）是否比常氧下的外泌体（Exos）对骨折愈合的作用更大。使用体内骨折模型和体外实验（包括细胞增殖测定、细胞迁移测定等），研究人员证实，与Exos相比，Hypo-Exos可更大程度地促进血管生成、增殖和迁移。此外，利用一系列体外和体内实验，发现外泌体miR-126在骨折愈合过程中的功能作用。同时，研究人员发现敲低缺氧诱导因子1（HIF-1α）导致MSC和外泌体中miR-126的显著减少，从而消除了Hypo-Exos的作用。这些结果证明了Hypo-Exos通过miR-126促进骨折愈合的机制。此外，研究人员发现，缺氧预处理通过激活HIF-1α介导了外泌体miR-126的产生。结果显示，Hypo-Exos通过外泌体miR-126和SPRED1 / Ras / Erk信号通路促进骨折愈合。该发现揭示了在缺氧条件下MSC衍生的外泌体的作用机制，并为骨折愈合提供了有希望的治疗靶点。
参考文献：Liu W, Li L, Rong Y, Qian D, Chen J, Zhou Z, Luo Y, Jiang D, Cheng L, Zhao S, Kong F, Wang J, Zhou Z, Xu T, Gong F, Huang Y, Gu C, Zhao X, Bai J, Wang F, Zhao W, Zhang L, Li X, Yin G, Fan J, Cai W. Hypoxic mesenchymal stem cell-derived exosomes promote bone fracture healing by the transfer of miR-126. Acta Biomater. 2019 Dec 16.
doi: 10.1016/j.actbio.2019.12.020.
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