Genes & Diseases：Wei Seong Toh教授团队发现间充质干细胞来源的小型细胞外囊泡促进骨愈合的机制

动物实验和临床研究中已经证明间充质干细胞 （MSCs）具有促进骨再生的治疗功效。最初认为MSCs可以分化成各种细胞类型来替代受伤/病变组织，但现在普遍接受的是这些细胞分泌因子来促进组织修复。在这些因子中，包括外泌体在内的大小为50–200 nm的小型细胞外囊泡是介导MSCs广泛治疗效果的主要因子。最近的一些研究也报道了间充质干细胞来源的细胞外小泡（MSC-sEVs）在动物模型中增强骨修复的治疗效果。然而，MSC-sEVs在骨再生中介导的细胞过程和机制仍待充分阐明。

来自新加坡国立大学牙科学院的Wei Seong Toh教授团队在本刊发表题为“Mesenchymal stromal cell-derived small extracellular vesicles modulate macrophage polarization and enhance angio-osteogenesis to promote bone healing”的文章，采用大鼠颅骨缺损模型研究了骨修复过程中MSC-sEVs激活的细胞分子机制。

1. MSC-sEVs促进大鼠颅骨缺损模型中的骨愈合

在第1周时，胶原海绵（CS）/sEVs治疗组表现出更好的细胞浸润和基质沉积，优于CS/Control组（图1A）。差异在8周时更为明显，CS/sEVs组显示新骨完全桥接缺损，而CS/Control组仅有局部新骨形成，主要局限于缺损周围（图1A）。8周时，CS/sEVs组在新骨形成、骨髓改变和骨皮质重塑方面表现出显著改善，最终评分明显高于CS/Control组 （图1B）。免疫组织化学分析显示，CS/sEVs组骨钙素（OCN）的面积沉积百分比显著高于CS/Control组，并持续到第8周（图1C）。同时，CS/sEVs组在1周时的CD31⁺血管数是CS/Control组的2倍（图1D）。之后，作者检测了骨再生过程中巨噬细胞浸润到缺损部位的数量是否存在差异。在1周时，CS/sEVs组的CD206⁺ M2巨噬细胞数量显著高于CS/Control组（图1E）；CS/sEVs组的CD86⁺ M1巨噬细胞数量在1周时显著低于CS/Control组（图1F）。这些结果表明，MSC-sEVs介导的骨愈合主要表现为细胞增殖和浸润的增加，血管生成和矿化的改善，M2型巨噬细胞浸润的增强，以及炎症的减少。

图1 MSC-sEVs通过增强血管生成、骨生成以及M2相对于M1巨噬细胞浸润来促进骨再生。

2. MSC- sEVs增强MSCs的成骨分化和内皮细胞小管生成

与动物实验结果一致，细胞实验中发现MSC-sEVs以剂量依赖的方式显著增强MSCs的成骨分化 （图1G、H）。MSC-sEV增强了成骨基因如OCN、BMP-2、RUNX2、OSX、ALP和OPN的表达（图1I）, 以剂量依赖的方式增强内皮细胞的迁移、增殖和小管形成 （图1J–N）。MSC- sEVs可升高血管生成基因，包括VEGF-A、PDGF-C、TGF-β1、CD31、VEGFR2和ANGPT1的表达（图1O）。这些结果表明，在动物模型中观察到的骨修复过程中血管化和矿化的增强，可能归因于MSC- sEVs增强血管生成和骨生成。

3. MSC-sEV促进巨噬细胞由M1型向M2型极化

用LPS+IFN-γ或IL-4分别处理M0巨噬细胞，使其极化为M1或M2巨噬细胞。作者团队发现，MSC-sEVs抑制了LPS+ IFN-γ组M1巨噬细胞标志物iNOS和TNF-α的蛋白质水平，以及相关基因包括CD80、IFN-γ、TNF-α、IL-1β、IL-12β和iNOS的mRNA水平（图1P、Q）。同时，MSC-sEVs处理能够增强IL-4介导的M2极化，M2巨噬细胞标志物CD206和Arg1的蛋白质水平，以及相关基因包括CD206、Retnlα、SOCS1、Arg1和TGF-β1的mRNA水平（图1R、S）。这些结果表明，在动物模型中观察到的骨修复过程中，M2巨噬细胞对M1巨噬细胞的优先浸润可能归因于由MSC-sEVs介导的增强的M2巨噬细胞极化。

4. 总结

MSC-sEVs介导的骨愈合的特点是细胞增殖和浸润增加，血管化和矿化增强，以及炎症减少。其机制可能在于骨修复过程中MSC-sEVs介导的成骨矿化增加，内皮细胞的迁移和血管形成增强，以及巨噬细胞由促炎M1型向抗炎M2型极化增强。

文章来源

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352304221001628

引用这篇文章：

Chuah SJ, Yong CW, Teo KYW, et al. Mesenchymal stromal cell-derived small extracellular vesicles modulate macrophage polarization and enhance angio-osteogenesis to promote bone healing. Genes Dis. 2022;9(4):841-844.