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脐带间充质干细胞外泌体,再生医学的新“武器”

(2019-11-15 16:26:46)
标签:

脐带间充质干细胞

干细胞治疗

脊髓损伤

心脏疾病治疗

分类: 细胞科技

脐带早已被证明是间充质干细胞的优质来源之一,但它的现实身份仍然在“医疗垃圾”和“生物资源”间摇摆。而外泌体在刚被发现时,也被普遍认为是细胞代谢所产生的"排泄物"。

但随着外泌体研究的深入,科学家发现它是参与细胞间物质与信息传递的重要一环。对外泌体的研究兴趣也日益增长,主要集中在疾病诊断和细胞治疗领域。

而由于脐带间充质干细胞具备采集方便、增殖能力强和免疫原性低的优势,其分泌的外泌体常被用于再生医学和各种疾病的治疗研究。

脐带间充质干细胞外泌体,再生医学的新“武器”外泌体,来源:Alxerion Biotech

1、脐带间充质干细胞概述

间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)是一类来源于发育早期中胚层的多能干细胞,是目前研究最多、最重要的成体干细胞之一。

MSCs广泛存在于全身多种组织中,并可在体外培养扩增,可在特定条件下分化为包括神经细胞、成骨细胞、软骨细胞、肌肉细胞、脂肪细胞在内的多种细胞,连续传代培养和冷冻保存后仍具有多向分化潜能。

与其他来源的MSCs相比,来源于脐带的MSCs具有采集方便、无伦理争议、免疫原性低、自我更新快、倍增速度稳定和增殖能力强等特点。因此,脐带MSCs适合用于临床研究和应用,是细胞治疗和再生医学的首选。

脐带间充质干细胞外泌体,再生医学的新“武器”外泌体,来源:Direct Biologics

2、外泌体概述

外泌体(exosome, EXO)是一类直径40-100nm的微小囊泡,可以将脂类、碳水化合物、蛋白质、mRNA、miRNA和DNA等生物分子从一个细胞传递到另一个细胞,从而交换遗传信息、重编程宿主细胞,进行细胞间通讯。

“外泌体”一词在1981年由Trams等人首次提出。由于其强大的生物活性和细胞功能,外泌体现在被作为一种无细胞治疗方案受到研究者的广泛关注。

外泌体治疗的主要优势包括:

  • 免疫原性比细胞更低
  • 内容物稳定易保存
  • 可通过改变细胞环境调节外泌体功能
  • 易于量产。

外泌体应用的主要难点包括:

  • 分离纯化方法的选择和优化
  • 如何向靶细胞递送药物等
  • 在制备高质量、均匀、大量的外泌体以及优化外泌体储存条件时也存在挑战。

脐带间充质干细胞外泌体,再生医学的新“武器”外泌体,来源:Beckman Coulter

3、脐带MSC-EXO临床应用的初步尝试

在脐带来源MSC-EXO的研究报道中,其具有低免疫原性、强大的组织修复和免疫调节作用, 还拥有更显著的安全性。

脐带MSC-EXO对肾脏和肝脏没有不良影响。其他如全身过敏反应、溶血、热原、血液学指标、血管和肌肉刺激等证据均支持它作为一种安全的治疗介质。还有研究证明,脐带MSC-EXO可以促进细胞增殖和保护细胞免受过氧化氢诱导的凋亡。

脐带间充质干细胞外泌体,再生医学的新“武器”

眼科疾病

特发性黄斑裂孔(MH)是视力障碍的原因之一。Zhang等研究者在标准的玻璃体切割术联合内界膜剥离后,对7名大直径难治性MH患者进行了玻璃体内注射脐带MSC、脐带MSC-EXO、空气填充等治疗。结果,6名患者裂孔闭合,其中5人最佳矫正视力得到改善。这项研究表明,常规玻璃体切割术联合MSC-EXO和MSC可以改善难治性MH手术的解剖学和视力表现。Yu等人的研究比较了玻璃体内注射脐带MSC-EXO和MSC,观察到脐带MSC-EXO就像MSC一样能抑制细胞凋亡和炎症反应。

肾脏疾病

研究者发现,脐带MSC-EXO在体外和体内,对抗癌化疗药物顺铂诱导的肾毒性都具有治疗作用。在一项研究中,检查了脐带MSC-EXO预处理对顺铂诱导的肾毒性预防的作用。结果表明自噬在减轻组织损伤中有重要作用,而脐带MSC-EXO预处理可引起自噬激活,减少细胞凋亡和炎症反应。因此,脐带MSC-EXO可以被视为顺铂副作用的预防策略。

阿尔茨海默病

阿尔兹海默病是一种神经退行性病变,其特征性表现是β-淀粉肽在脑中沉积,脑啡肽酶是脑中最重要的β-淀粉肽降解酶。间充质干细胞来源的外泌体能够携带高水平的脑啡肽酶,与高表达β-淀粉肽的成神经细胞瘤细胞共培养时,能够降低细胞内外的β-淀粉肽,这提示了间充质干细胞来源的外泌体可能有效治疗阿尔兹海默病。一项研究表明,在阿尔兹海默病小鼠模型中注射脐带MSC-EXO可以提高空间学习和记忆力。

炎症性肠病

炎症性肠病是一组肠道慢性疾病的统称,包括克罗恩病和溃疡性结肠炎等。Mao等人研究了脐带MSC-EXO对硫酸葡聚糖硫酸钠诱导炎症性肠病的治疗作用。结果表明,IL-10作为一种抗炎细胞因子表达增加,而包括IL-6、TNF-α、诱导型一氧化氮合酶、IL-1β和IL-7在内的炎性前细胞因子表达减少了。

神经性疼痛

周围神经损伤可引起神经性疼痛。Shiue等人的研究发现,将脐带MSC-EXO鞘内施用至L5 / 6脊神经结扎中,外泌体可在背根神经节、同侧L5脊背角和周围轴突中归巢。脐带MSC-EXO还可通过调节细胞因子表达,逆转脊神经结扎引起的机械性异常性疼痛和热痛觉过敏。脐带MSC-EXO的归巢能力、抗炎作用及再生特性使其成为治疗神经损伤疼痛的候选。

胰腺导管腺癌

除了直接发挥作用,脐带MSC-EXO还可作为递送药物的载体。作为肿瘤抑制因子的miR-145-5p5p在各种类型的癌症中均被下调,包括胰腺导管腺癌、肝细胞癌、结肠直肠癌、胃癌和乳腺癌。Ding等人的研究发现,脐带MSC-EXO介导的miR-145-5p传递给胰腺导管腺癌细胞,可抑制PDAC细胞的增殖和侵袭,增加细胞周期阻滞、凋亡,降低Smad3在体外的表达。

脊髓损伤

M1巨噬细胞分泌炎性细胞因子,破坏宿主细胞。M2巨噬细胞通过产生IL-4和IL-10细胞因子抑制炎症性免疫反应,促进血管生成并清除坏死部分。研究表明,脐带MSC-EXO在脊髓损伤的治疗中可诱导M1向M2表型转化并改善性能,这种转化减少了炎性细胞因子。

肝脏疾病

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。

心脏疾病

在一项研究中,江苏大学赵媛媛等人研究了脐带MSC-EXO在急性心肌梗死中的作用。他们将脐带MSC-EXO静脉注射到大鼠模型中。超声心动图检查结果显示,脐带MSC-EXO注射4周后心脏功能改善。另外,在Masson三色染色后,还观察到心脏纤维化的减少。

创伤愈合

Bakhtyar等科学家在脐带中检测到含有大量α-2-巨球蛋白的外泌体,而后者被认为是可能促进伤口愈合的主要成分。随后开展的动物实验表明,与对照组相比,外泌体治疗组的伤口愈合明显增强,伤口部位存在更多数量的细胞,且伤口的胶原沉积显著增加。这表明脐带MSC-EXO可以成为帮助伤口愈合的替代疗法。

2型糖尿病

研究表明,脐带MSC-EXO增加了2型糖尿病模型大鼠骨骼肌中的葡萄糖摄取,并减少了糖原分解,以维持止血功能。胰岛素抵抗是2型糖尿病的发病机制。脐带MSC-EXO可以通过促炎性细胞因子,促进组织的胰岛素敏感性。此外,脐带MSC-EXO还通过抑制STZ诱导的β细胞凋亡来提高胰岛β细胞的胰岛素水平。

子痫前期

子痫前期与妊娠期高血压和蛋白尿有关。Xiong等人研究了低、中和高剂量的脐带MSC-EXO在小鼠子痫前期模型中的作用。结果表明,脐带MSC-EXO的剂量依赖性治疗通过抑制细胞凋亡,改善了胎盘组织形态并促进了胎盘组织中的血管生成。

移植物抗宿主病

L. Wang等人的研究发现,在造血干细胞移植大鼠模型中,脐带MSC分泌的细胞外囊泡(包括外泌体和微泡)显著降低了急性GVHD的表现并增加了大鼠存活率。此外,抗炎细胞因子(IL-10)升高,炎性细胞因子(IFN-γ,IL-2和TNF-α)降低,表明细胞外囊泡通过调节免疫发挥了治疗作用。

近几年,关于外泌体的研究文章数量呈井喷式发展,无论是提取制备工艺还是 作为一种治疗制剂和药物,或者作为 疾病的新型诊断标志物,都有了长足的发展。

外泌体有希望成为人们通向健康大门的桥梁。

参考文献

蒋欢, 刘尧, 陈旭. 间充质干细胞外泌体应用于组织再生的研究进展[J]. 中国医科大学学报, 2018, 47(1):73-77

Yaghoubi Y, Movassaghpour A, etc. Human umbilical cord mesenchymal stem cells derived-exosomes in diseases treatment. Life Sci. 2019 Sep 15;233:116733.

Zhang B, Shen L, Shi H, etc. Exosomes from Human Umbilical Cord Mesenchymal Stem Cells: Identification, Purification, and Biological Characteristics. Stem Cells Int. 2016;2016:1929536.

本文转自成体干细胞国家地方实验室

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