近期,来自浙江大学医学院附属第一医院的胡懿邰教授,谢杰教授团队在Bioactive Materials杂志发表了题为“Fused exosomal targeted therapy in periprosthetic osteolysis through regulation of bone metabolic homeostasis”的科研论文,IF=18.0。
研究背景:
人工关节置换术(Artificial joint replacement)是治疗关节退化、炎症性关节病或创伤等导致的关节结构和功能丧失的首选方法。然而,术后15年内,约10%的患者需要进行翻修手术。目前对假体无菌性松动的非手术治疗效果不佳,翻修手术费用昂贵。有研究表明,由磨损颗粒引起的周围骨溶解是导致假体无菌性松动的关键因素,这些颗粒在关节活动时从假体部件或关节表面释放,引发局部无菌性炎症环境,导致骨代谢失衡。关节置换术后假体周围骨代谢平衡失衡导致了假体周围骨溶解的发生和发展。这种现象的主要机制是血管生成和骨生成减少,同时骨吸收增加。然而,对于假体周围骨溶解中磨损颗粒引起的假体周围骨代谢失衡的精确调控机制,目前尚不清楚。尿源性干细胞外泌体(USC-exo)通过富集miRNA和蛋白质对骨代谢稳态的调节发挥关键作用,它可通过促进成骨和抑制骨吸收在骨质疏松症的治疗中发挥作用。M2巨噬细胞衍生的外泌体(M2-exo)能够回到炎症部位,响应炎症趋化而迁移,以及逃避免疫反应,同时它具有促进血管生成和成骨同时抑制骨吸收的生物学功能。药物传递系统的结构基础是磷脂双分子层,它可促进生物功能,如靶向传递、免疫逃避、延长循环,并且在体内安全应用。在骨溶解区域的两个外泌体协同可调节骨代谢,融合外泌体有望作为一种精确可靠的靶向分子药物用于预防和治疗假体周围骨溶解。
研究成果及意义:
在本研究中,由于M2-exo具有靶向炎症部位的能力,而USC-exo在调节骨代谢稳态方面具有调节作用。为了实现对骨代谢稳态的靶向调节,作者将M2-exo和USC-exo融合,成功制备了一种融合外泌体系统(f-exo),纳米流式细胞术和FRET实验验证了f-exo的成功融合。然后作者对f-exo进行了表征,透射电子显微镜(TEM)观察到f-exo具有典型的茶托状形态,纳米颗粒跟踪分析(NTA)显示f-exo的颗粒数在100-130nm,免疫印迹分析(WB)显示f-exo含有外泌体标志蛋白CD63和TSG101。为了研究f-exo对骨髓间充质干细胞成骨分化的影响,作者采用了免疫荧光染色,Western blot和qPCR检测实验,结果证实了f-exo在体外对骨髓间充质干细胞(BMSCs)的成骨分化有显著促进作用,表现为增强的ALP表达、钙结节形成和胶原蛋白产生。同时,f-exo能显著抑制由RANKL诱导的巨噬细胞的破骨细胞分化,减少TRAP阳性破骨细胞的数量,并抑制ROS的产生。为了评估f-exo对HUEVCs迁移能力的影响,作者采用了细胞划痕试验和Transwell迁移试验,结果表明f-exo能增强人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的迁移能力和管状形成能力,表明其对血管生成有促进作用。为了评估f-exo在体内靶向假体周围溶骨区的能力,作者构建了钛颗粒诱导的小鼠颅骨溶骨模型。通过尾静脉注射DiR标记的f-exo,利用IVIS成像系统监测f-exo在体内的分布。结果显示f-exo在骨溶解区域的荧光强度显著高于USC-exo组和混合外泌体组,表明f-exo具有更好的靶向性。Micro-CT分析和组织学评估进一步证实了f-exo对骨溶解的抑制效果,表现为更高的BV/TV比值和更低的BS/BV比值及总孔隙率。为了评估f-exo对骨溶解区成骨和血管生成潜能的影响,作者进行了免疫荧光分析,结果显示f-exo能促进H型血管和成骨相关蛋白的表达。为了探索f-exo靶向调节骨代谢稳态的潜在机制,作者对f-exo进行了蛋白质组学分析。结果表明f-exo保留了M2-exo和USC-exo的蛋白质组成,并且它可通过多种途径调控成骨分化、破骨细胞功能、血管生成和骨代谢平衡,为其生物学功能的实现提供了理论依据。综上所述,作者认为f-exo系统能够有效结合M2-exo的骨溶解区域靶向能力和USC-exo的骨代谢稳态调节效果,显著增强对周围骨溶解区域的骨代谢稳态靶向效果。在体外和体内实验中均显示出对骨代谢失衡的调节作用,包括促进成骨、抑制破骨细胞分化和促进血管生成。在小鼠颅骨骨溶解模型中显示出良好的靶向性和治疗效果,不仅为临床治疗周围骨溶解提供了新的策略,还为基于外泌体的药物靶向递送系统的发展提供了新的概念框架。通过融合不同来源的外泌体,可以开发出具有特定靶向性和治疗效果的新型外泌体系统,有望应用于其他疾病的治疗。
该研究中使用本公司去外泌体胎牛血清(货号:UR50202)进行M2巨噬细胞和USC细胞培养实验,在排除外源血清外泌体干扰的情况下保证了细胞的正常生长及外泌体的正常分泌,为接下来的外泌体提取纯化实验提供了高质量的细胞上清。结果显示,后续提取的外泌体符合各检测指标要求,满足了客户的下游实验需求。
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参考文献:Fused exosomal targeted therapy in periprosthetic osteolysis through regulation of bone metabolic homeostasis. Bioactive Materials. 2025 Apr 08;50:171-188.
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