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間質幹細胞(MSC)及外泌體 (Exosome)

圖片來源:Therapeutic Features and Updated Clinical Trials of Mesenchymal Stem Cell (MSC)-Derived Exosomes MSC.

翻譯文章來源:Therapeutic Features and Updated Clinical Trials of Mesenchymal Stem Cell (MSC)-Derived Exosomes 1. Background,2. Therapeutic Properties of MSC Exosomes,9. Future Perspectives and Concluding Remarks

MSC 外泌體是由 MSC 分泌的納米級囊泡,是一種非細胞治療劑。MSC 外泌體保留了它們起源的細胞的治療特徵,包括遺傳物質、脂質和蛋白質。外泌體與 MSCs 類似,外泌體可以誘導細胞分化、免疫調節、血管生成和腫瘤抑制。因此,MSC 外泌體已被用於多種實驗模型和臨床研究。

研究背景

multi-lineage cells 多向分化細胞|low immunogenicity低免疫抗原性| major histocompatibility complex (MHC) 主要組織相容性複合物| immunomodulatory 免疫調節 | regenerative functions 再生功能|controversial 有爭議的 |microvasculature 微血管系統|infusional toxicity 輸注毒性|inflammaging 炎症|co-administration strategies共同給藥策略|Scaffolds 支架 |hydrogels 水凝膠|prokaryotes 原核生物| eukaryotes 真核生物| microvesicle微囊泡 |apoptotic body 細胞凋亡體

間質幹細胞(MSCs)由於其幹細胞性而具有獨特的生物醫學特性:它們可以模擬自身增殖並可以分化成多系細胞。由於主要組織相容性複合體 (MHC) I 類分子的低表達和少數 MHC II 類分子的表達,MSCs 具有低免疫抗原性。重要的是,MSCs 已被證明在各種疾病模型中具有免疫調節和再生功能。鑑於這些特性,MSCs 已在數十年的臨床試驗中進行了評估。儘管使用 MSCs 的一些臨床前研究和臨床試驗的結果看似很有希望,但在其他研究中,MSC 治療後臨床結果通常沒有顯著改善疾病嚴重程度,這使得基於 MSC 的治療存在爭議 。

MSCs 影響的這些差異可能是由於注入的 MSCs 植入不良,供體依賴性變異,或由於細胞在微血管系統中的駐留而可能導致的輸注毒性。此外,MSCs 在體外擴增過程中的衰老會降低細胞的生產能力,並且會通過引起炎症來增加疾病的嚴重程度。為了保證一致和穩定的治療效果,需要改進 MSC 治療策略,策略應考慮當前的障礙,例如體內存活率低、發炎病變的遞送不准確以及供體間的差異。研究人員試圖通過改善 MSCs 向病灶的遷移並用生物活性分子如 IFN-γ 和 TNF-α對它們進行預處理來增強 MSCs 的治療效果。

此外,包括支架和水凝膠在內的共同給藥策略的使用使疾病治療更加謹慎和準確。改善基於 MSC 的治療的另一種方法是使用細胞外囊泡 (EV) 或外泌體。從原核生物到真核生物,在細胞之間藉由釋放的EV來傳遞生物信號參與細胞間通訊。根據它們的生物起源,EV 分為三大類:外泌體( exosomes)、微囊泡(microvesicles)和細胞凋亡體(apoptotic bodies)。

外泌體的最小尺寸範圍約為 50 至 150 nm,當多囊體(multivesicular bodies,MVBs)與細胞膜融合時,外泌體被釋放到細胞外環境中。這些納米大小的囊泡含有許多細胞成分,包括細胞因子和生長因子、信號脂質以及 mRNA 和調節性 miRNA,外泌體的成分根據其細胞來源而有所不同。值得注意的是,MSC 外泌體可能比 MSCs更適合臨床應用MSC 外泌體可能沒有免疫抗原性問題,並且不太可能像注入的 MSC 一樣被困在肺或肝臟中,同時仍保持其來源細胞的治療功能。鑑於 MSC 衍生的外泌體在臨床前研究中的治療潛力已得到證實(目前有 16 項正在進行的臨床研究 MSC 衍生的外泌體在各種疾病中的治療應用)。

MSC 外泌體的治療特性

direct cell-mediated action 直接細胞介導作用|soluble factors 可溶性因子|stimuli 刺激|phagocytosis 吞噬作用|micropinocytosis 微細胞泡飲作用| receptor-mediated endocytosis 受體介導胞吞作用| internalization 內化|fate decision 命運決定|facilitating attenuation促進衰減|immune homeostasis 免疫穩態

間質幹細胞已被評估為多種罕見疾病的替代療法,因為它們具有免疫調節活化免疫細胞和刺激組織再生的能力。兩種主要的細胞行為是其治療效果的基礎:直接細胞介導作用和可溶性因子釋放引起的環境變化。

MSC分泌蛋白組是指釋放到培養基中的可溶性因子,在釋放的物質中,微泡(MV,直徑 0.1-1 mm)和外泌體(直徑 50-150 nm)作為 MSCs 和靶細胞(包括 MSCs)之間的細胞間介質發揮作用。納米級外泌體(Nanosized exosomes)特別被認為是 MSC 替代品,因為它們具有與 MSC 相似的治療特徵。外泌體可能比 MSCs 具有更大的臨床應用潛力,因為它們具有較低的免疫抗原性和致瘤性。因此,MSC外泌體的使用為MSCs的臨床應用開闢了新的途徑。

MSC 衍生的外泌體最重要的特性是它們的“(載貨cargo)”功能,它們包含多種經過驗證的治療劑,MSC外泌體的內容包括核酸、蛋白質和脂質,描述了超過850個基因產物和150個miRNA。此外,它們的組成可能會因 MSCs 的分離來源和外部刺激而有所不同,這也是不同來源的 MSCs 表現出不同特徵或治療效果的原因之一。

儘管來自不同 MSC 來源的外泌體的特徵可能有所不同,但它們通常具有治療作用。MSC 外泌體將其內容物(如 mRNA、miRNA 和蛋白質)水平轉移到靶細胞中,以改變這些細胞的細胞功能。儘管 MSC 外泌體內吞作用的機制尚未完全闡明,但包括囊泡-細胞融合、吞噬作用、微細胞泡飲作用和/或受體介導胞吞作用在內的幾個細胞過程被認為與內化有關。

在臨床前研究中已經描述了 MSC 外泌體的幾個臨床特徵。例如,MSC 外泌體通過調節內源細胞的增殖和凋亡來加速組織再生過程。MSC 外泌體也影響一些免疫細胞的命運決定,從而促進過度炎症的減弱或恢復免疫穩態。此外,MSC 外泌體通過刺激各種細胞信號通路誘導血管生成。鑑於這些有希望的結果,MSC 外泌體應用的安全性和有效性目前正在針對各種疾病的臨床試驗中進行評估。以下,我們根據疾病類型回顧 MSC 外泌體的治療潛力。

未來展望

本文根據疾病類型全面回顧了MSC外泌體的治療特點和臨床試驗現狀。儘管臨床前研究報告了許多有希望的結果,但需要對 MSC 外泌體治療進行一些改進才能獲得更好的結果。

首先,應在外泌體分離之前評估 MSCs 對特定疾病的適用性。間質幹細胞的基因修飾可以改善來自這些間質幹細胞的外泌體的治療功能。基因改造的主要目標之一可能是 miRNA。miR-143 的過表達提高了 MSC 外泌體對癌細胞遷移和侵襲的抑制功能。除了上面討論的 miRNA 之外,還有許多其他 miRNA 是外泌體遺傳操作的潛在目標。CXCR4 和 GATA-4等具有特定治療作用的蛋白質的過度表達也已被證明可以改善 MSC 外泌體的功能。

因此,在對 MSCs 進行基因操作之前,重要的是要確定可以在外泌體中操作以治療特定疾病的精確基因靶點。其次,通過將靶分子直接遞送到MSC外泌體中來增強MSC外泌體的治療效果。已經開發了多種插入方法,包括被動加載、超聲處理、電穿孔、擠壓和光誘導加載。正如我們上面所討論的,抗癌藥物已被加載到外泌體中以獲得更好的臨床結果。

經研究報導,薑黃素是一種有效的免疫抑製劑,通過將其包裹在外泌體中來提高其抗炎活性。另一種抗炎藥,即 STAT3 抑製劑 JSI124,當通過鼻內途徑以外泌體的形式引入時,可有效抑制神經炎症。除了外泌體介導的藥物遞送,長內源性 RNA 或小干擾性 RNA 的加載和遞送已被證明可以抑制癌症並導致白血病細胞凋亡。支持材料可用於最大限度地發揮 MSC 外泌體的治療功能。

在生物相容性助劑中,各種水凝膠最近引起了人們的關注。在缺血性實驗模型中,含有幾丁聚醣水凝膠的胎盤衍生的 MSC 外泌體顯示出增強的治療效果,具有體內保留和外泌體內容物(包括蛋白質和 miRNA)的穩定性。其他水凝膠已被證明可以通過補充物理缺陷來加強傷口修復過程。在類似的情況下,用MSC外泌體和支架包裝組織比在骨或子宮內膜再生模型中的初始治療產生更好的結果。

此外,用脂多醣等細菌物質預處理 MSCs 可用於開發適用於解決慢性炎症的疾病或類型特異性外泌體。最後,可以與肝細胞受體結合的支鏈澱粉的表面修飾被證明可以通過改善其對受損器官的靶向性來增強 MSC 外泌體的治療效果。為了使基於外泌體的療法在臨床應用中安全且成功,必須探索所施用的外泌體的生物分佈。目前,有各種研究來評估從不同來源獲得併在不同疾病模型中治療的外泌體的生物分佈。在患有急性腎損傷的小鼠中,5 小時後從損傷部位檢測到靜脈內遞送的 MSC 外泌體,24 小時後檢測不到 。在荷瘤小鼠中,腹腔注射後 24 小時和 48 小時,外泌體在腫瘤區域的積累顯著增加。一般來說,已知靜脈內遞送的外泌體主要在肝臟和脾臟中積累,但是,根據細胞來源和給藥途徑,生物分佈模式可能不同 。

在使用外泌體設計治療策略時,必須先仔細考慮 MSC 來源、給藥途徑和生物分佈。總之,成功的 MSC 外泌體治療各種罕見疾病需要疾病和/或患者定制治療。為此,需要詳細識別每種目標疾病的特徵和發病機制,選擇可行的外泌體貨物,確定調節所選因素的方法,以及改進對病變的遞送。