间充质干细胞外泌体在皮肤损伤修复中的机制与临床研究进展
间充质干细胞外泌体在皮肤损伤修复中的机制与临床研究进展
皮肤作为机体第一道防线，极易因疾病或机械外力造成损伤。各类急、慢性皮肤损伤会导致机体免疫功能下降，严重影响生活质量。间充质干细胞（mesenchymal stem/stromal cells，MSC）是一类具有自我复制和多项分化潜能的多功能干细胞，其诱导损伤修复的潜在机制不仅包括直接分化成特定类型细胞替代受损组织，更依赖于其自身的旁分泌作用。外泌体（exosomes，Exo）作为旁分泌的主要产物，可通过释放其内容物影响受体细胞和远端细胞的生长，其被认为是一种具有较好前景的“无细胞治疗”手段，现已成为组织工程和再生医学领域的热门研究方向。
MSC应用的理论依据
借助于自我复制和多项分化潜能，MSC不仅可以在体内外适宜条件下分化为成骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞，还能分化为神经细胞、心肌细胞等多种细胞类型。因此，在治疗多种组织、器官损伤或疾病时具有潜在应用价值。MSC的获取相对便捷，来源广泛，降低了治疗成本，提高了临床可及性。自20世纪70年代从骨髓中发现MSC以来，脂肪、脐带血、胎盘、皮肤、滑膜等多种成体组织中亦可分离出MSC，并在临床试验中广泛应用，研究也证实了其安全性和有效性。由于MHC-Ⅰ分子的低表达，且不表达FAS配体或CD40/CD40L、B7/CD28、ICOS、4-1BB、OX40/OX40L等共刺激因子，MSC被认为具有较低的免疫原性，这对治疗自体免疫性疾病和移植排斥反应具有重要意义。MSC的易获得、低毒副作用、较少的伦理争议和高增殖率，使其成为治疗多种因素引起的组织、器官损伤的种子细胞，并在免疫调控、基因治疗等领域具有广阔应用前景。
研究显示，MSC可通过以下方式发挥组织修复及再生功能：
- 减轻炎症反应，通过分泌多种免疫调节因子调控炎症响应，刺激调节性T细胞和抗炎巨噬细胞等抑制性免疫细胞的产生，同时下调浆细胞、粒细胞和促炎巨噬细胞的增殖，促进免疫平衡；
- 激活补体系统，引起免疫细胞向受损区域趋化和浸润，促进血管内皮细胞的增殖和迁移，同时补体也会诱导受损细胞凋亡，加速组织修复；
- 抑制金属蛋白酶活化，同时促进细胞外基质（如胶原Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ）蛋白和糖胺聚糖的分泌及弹性蛋白的合成；
- 释放外泌体作为信息载体与受体细胞融合，将其内容物（mRNA、microRNA和蛋白）非选择性地传递至受体细胞，从而调控受体细胞的增殖、迁移和凋亡。
外泌体概述
外泌体是细胞旁分泌的一种具有双层脂质结构的膜性囊泡，直径介于30～150nm之间，广泛分布于几乎人体所有体液中。MSC来源的外泌体（MSC-Exo）内富含多种生物活性物质，包括RNA、脂质、DNA片段及蛋白质等。研究表明，MSC-Exo在多泡小体（multivesicular bodies，MVBs）内通过胞吐形式释放到细胞外，并将蛋白、脂质及核酸等内容物转移至皮肤损伤部位的靶细胞，从而介导相邻或远端细胞间的信号转导，甚至遗传信息的功能性转移。相比传统干细胞疗法，MSC-Exo的应用避免了多种潜在风险，且具有良好的生物相容性、低免疫原性、便于保存和运输等显著优势。现已证实，MSC-Exo作为细胞间通信的信号分子，通过多种机制参与细胞增殖、迁移、血管再生、炎症反应和胶原合成等生理过程，有助于加速组织再生和修复。
外泌体修复皮肤损伤的机制
皮肤创伤修复是一个复杂的生物学过程，多种免疫细胞及细胞因子的协调作用对维持皮肤完整性具有重要生理意义。典型的创伤修复过程分为3个阶段：炎症阶段、增殖阶段和重塑阶段。MSC-Exo作为细胞间通信的信号分子，参与修复的各个阶段，能够促进细胞增殖和迁移、血管新生及伤口周围胶原纤维的合成，在皮肤再生过程中发挥重要作用。
炎症阶段
炎症阶段是生物体对病原体或组织损伤的保护性应答，也是创伤愈合和组织再生的起始阶段，临床上以充血、浆液渗出和白细胞游走为特征，造成伤口局部发红肿胀，后期白细胞以巨噬细胞为主。巨噬细胞是机体固有免疫的重要组成部分，具有促炎型和抑炎型两种表型，分别起到介导炎症反应和抑制炎症的作用。近年来研究表明，MSC-Exo可通过多种途径调控巨噬细胞由促炎型向抑炎型极化，从而避免创面感染，促进伤口愈合。研究发现，人骨髓间充质干细胞外泌体（human bone marrow-derived mesenchymal stem cell exosome，hBMSC-Exo）可以通过激活PTEN/AKT信号通路，下调促炎因子IL-1β和TNF-α表达，上调抗炎因子IL-10表达，从而促进巨噬细胞向抗炎表型极化，抑制促炎表型生成，加快糖尿病小鼠皮肤损伤的愈合。创面组织中的B淋巴细胞和T淋巴细胞也在炎症反应中起重要调节作用。MSC-Exo可以诱导B淋巴细胞增殖分化，并在一定程度上影响其耐药性和迁移能力。MSC-Exo还可抑制淋巴细胞的产生，减轻细胞毒性反应并改变细胞因子表达，减少机体免疫应答引起的皮肤损伤，加速创面愈合。
增殖阶段
在致炎因子或组织崩解产物的刺激下，机体启动并活化血管内皮细胞和成纤维细胞的增殖，使伤口收缩，同时新生血管和肉芽组织填充覆盖组织裂隙。MSC-Eox可激活内皮细胞的血管生成活性，已证实人脐带间充质干细胞外泌体可通过转移Wnt4诱导β-catenin活化，从而促进大鼠皮肤伤口模型中血管的生成。此外，iPSC-Exo也可以促进人成纤维细胞的增殖与迁移，进而促进Ⅰ型和Ⅲ型胶原的合成及纤连蛋白的转录与表达。当MSC-Exo到达靶细胞时，不同信号通路被激活，促进各种调节伤口愈合的关键生长因子表达，如血小板生长因子、基质细胞衍生因子、胰岛素样生长因子和肝细胞生长因子等。
重塑阶段
重塑阶段主要是瘢痕重塑的过程。瘢痕的特征性病理改变包括成纤维细胞过度增殖、胶原蛋白过度产生及细胞外基质过度沉积，其具体形成机制尚不明确。已知影响瘢痕形成的因素主要包括转化生长因子-β1（transforming growth factor β1，TGF-β1）的产生与分泌及胶原的合成及重排。有研究表明，高浓度TGF-β1会促进成纤维细胞的增殖和胶原蛋白产生，并抑制基质降解，最终导致创面纤维化瘢痕的形成。Ⅰ型胶原蛋白与Ⅲ型胶原蛋白是结缔组织的重要组成成分，与肌成纤维细胞表型及纤维化过程密切相关。通过小鼠皮肤烫伤模型研究确定，人羊水干细胞外泌体可以通过其衍生的外源性miR-29a抑制TGF-β2/Smad3信号通路，下调Ⅰ型胶原蛋白、Ⅲ型胶原蛋白和α-SMA的表达水平，从而减少瘢痕形成，这可能为未来病理性瘢痕的治疗提供潜在的分子基础。
近年来，以干细胞为基础的再生医学已经成为治疗各类急慢性损伤疾病的新型模式，但也面临诸多挑战和局限性。首先，MSC在培养扩增或不当保存条件下可能诱发免疫原性，降低治疗效果。其次，干细胞替代疗法可能引发免疫排斥反应、感染及潜在的肿瘤形成等安全问题。最后，目前对干细胞治疗机制的理解尚不完全，难以针对不同疾病设计个性化治疗方案。
大量研究表明，MSC来源的外泌体具有与MSC相似的免疫调节和受损组织修复功能，且外泌体应用具有显著优势，如避免排斥反应、易于储存和运输、广泛的适用性等，这使其在临床应用中具有巨大潜力。
外泌体联合生物支架材料的研究进展
目前，MSC-Exo在创伤修复领域的给药方式主要为局部注射和静脉注射。局部注射通常将MSC-Exo注射至创面周围皮肤，而非直接作用于创面，导致无法直接归巢至发病部位，治疗效果欠佳。静脉注射的MSC-Exo在血液循环中易被清除，需多次给药以维持血药浓度，造成低效价。MSC-Exo治疗过程中面临的稳定性差、靶向性弱等问题，也严重限制了其临床应用，亟须制备新型支架材料用于负载干细胞外泌体，提高其生物利用度。
目前应用于组织再生领域的生物支架主要分为天然支架、合成支架及复合支架。天然支架具有良好的生物相容性、可降解性和形态可塑性，主要包括壳聚糖、胶原蛋白和细胞外基质等。以壳聚糖、透明质酸等为原材料制备的水凝胶是目前临床上最常用于搭载外泌体的生物支架材料。水凝胶是一类由物理或化学交联形成的三维亲水网状聚合物，具有良好的保水性和可控释放能力，这些特性使其成为药物输送系统、生物医学和组织再生等应用中不可或缺的材料。与直接给药相比，将水凝胶与MSC-Exo联合使用既解决了MSC-Exo在体内被快速清除的问题，又能保证MSC-Exo的作用更加精准、集中。合成支架主要包括聚乳酸、聚乙醇酸、生物陶瓷和生物活性玻璃等，其机械性能、黏度、孔隙率和降解率均可人为调控，但缺乏天然支架的生物复杂性，不能完全模拟自然组织的结构和功能，且机械性能较低，可能无法满足高强度和高负荷应用的需求。复合支架由不同类型材料组合而成，具有较高的设计自由度，可以通过调节组分和结构实现多种性能需求，但复合支架同样存在一些缺点，如制备成本高、复合过程复杂、污染环境、难以回收和再利用等，需要在应用过程中解决这些问题。
外泌体的临床研究进展
随着研究的深入和临床实践的积累，针对MSC-Exo的临床试验数量逐年递增。MSC-Exo已在多种疾病的临床试验中被研究和应用，包括组织损伤和再生（如皮肤烧伤和溃疡）、心血管疾病（如心肌梗死和心肌炎）、神经退行性疾病（如帕金森病和阿尔茨海默病）、免疫性疾病（如自身免疫性疾病）及肿瘤等。MSC-Exo的治疗效果和应用前景正在不断探索和验证。
最近一项临床试验研究中，为探究雾化吸入人脂肪间充质干细胞来源外泌体（human adipose tissue-derived mesenchymal stem cell exosome，ADMSC-Exo）治疗2019-nCoV感染患者的安全性和有效性，研究人员对7例2019-nCoV感染患者连续5天吸入2.0×109nm囊泡的ADMSC-Exo。结果表明，该治疗方法安全且有效，患者无不良反应，耐受良好，反映出MSC-Exo治疗急性呼吸道疾病的可行性。此外，在一项人体试验中，对11例复杂肛周瘘患者注射胎盘间充质干细胞来源外泌体并随诊6个月，结果显示多数患者症状明显改善甚至完全消失。这表明MSC-Exo可作为治疗慢性感染创伤的候选药物，在治疗中发挥重要作用。
总结与展望
MSC-Exo作为天然的大分子载体，为组织器官再生治疗提供了一种新型的无细胞治疗策略，但目前仍存在一些亟待解决的问题。例如，在临床应用中，为获得Exo的最佳治疗效果，需进一步探究其最佳给药途径与给药剂量，以及其在再生效应中发挥生物学功能的具体机制。由于外泌体稳定性较差，易受温度、pH和机械刺激等因素影响，因此需要开发合适的递送系统和保存方法，确保其在临床治疗中的有效性和稳定性。还需要对其长期安全性和潜在副作用进一步研究和监测。此外，目前尚缺乏统一的生产标准和质量控制方法，存在批次间差异问题。在应用于临床之前，还需要明确适用的大规模生产、分离纯化和贮存等流程，并制定临床使用的质量控制及安全评价标准。相信通过不断的技术探索和努力，MSC-Exo一定会在临床皮肤损伤修复治疗中大放异彩。
本文原文来自澎湃新闻