鹿茸干细胞外泌体通过miR-140/MMP13轴双重调控炎症与软骨再生治疗骨关节炎

《npj Regenerative Medicine》：Deer antler ASCs exosomes ameliorate osteoarthritis via miR-140/MMP13 axis-mediated dual modulation of inflammation and cartilage regeneration

本研究针对骨关节炎(OA)治疗中软骨再生能力有限、现有疗法仅能缓解症状的临床难题，创新性地从具有极强再生能力的鹿茸组织中分离出鹿茸干细胞外泌体(ASC-Exos)。研究发现ASC-Exos通过富含的miR-140靶向抑制基质金属蛋白酶13(MMP13)，进而抑制NLRP3炎症小体活化，在体外和体内实验中均展现出显著的软骨保护、炎症抑制和促进再生作用。该研究为开发基于工程化外泌体的骨关节炎再生治疗策略提供了新思路。

　　

在当今老龄化社会中，骨关节炎(Osteoarthritis, OA)已成为困扰全球约5.95亿人的重大公共卫生问题。这种慢性退行性关节疾病以关节软骨进行性破坏为主要特征，导致患者承受持续性疼痛、关节功能障碍，严重降低生活质量。目前临床主要依赖非甾体抗炎药和皮质类固醇进行对症治疗，但这些方法仅能暂时缓解症状，无法逆转软骨退变进程。对于终末期患者，人工关节置换术虽能部分恢复功能，但存在假体松动、感染等风险，且不适合年轻患者。因此，开发能够真正实现软骨再生的创新疗法成为再生医学领域的迫切需求。

在这一背景下，干细胞疗法为OA治疗带来了新希望，然而传统间充质干细胞(Mesenchymal Stem Cells, MSCs)的应用面临定向分化效率不稳定、潜在肿瘤形成风险以及来源有限等挑战。有趣的是，越来越多的证据表明，干细胞的治疗作用主要归因于其旁分泌功能，而外泌体(Exosomes)作为纳米级细胞外囊泡，能够携带多种生物活性分子，部分重现亲代干细胞的治疗特性，为OA治疗提供了新思路。

自然界中，鹿茸是唯一能够周期性完全再生的哺乳动物器官，其惊人的再生能力引起了研究人员的极大兴趣。每年春季，鹿茸从角柄脱落後能快速再生，在3-4个月内形成完整的软骨-骨复合体，线性生长速率高达2.75厘米/天，矿化沉积速率达3.2微米/天，展现了自然界中无与伦比的骨软骨再生能力。鹿茸干细胞(Antler Stem Cells, ASCs)不仅具有强大的自我更新能力，其成软骨分化潜能也显著优于传统骨髓间充质干细胞(Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells, BMSCs)。更为重要的是，鹿茸软骨层在快速矿化过程中能维持低炎症微环境并保持高基质合成活性，这一特性可能与ASCs分泌的调控因子（如外泌体）密切相关。

发表在《npj Regenerative Medicine》的这项研究中，宋宇浩等人深入探究了鹿茸干细胞外泌体(ASC-Exos)在OA治疗中的潜力。研究人员假设ASC-Exos能够重建关节内微环境，减轻软骨基质降解，并刺激组织再生，从而为OA治疗提供创新性策略。

关键技术方法概述

研究团队从梅花鹿未骨化的年轻鹿茸中分离获得ASCs，通过流式细胞术和免疫荧光鉴定其干细胞特性，并验证其多向分化能力。采用梯度超速离心法从ASCs培养上清中分离外泌体，通过透射电镜、纳米颗粒追踪分析和Western blot对其进行表征。建立MIA诱导的大鼠OA模型，通过组织学染色、免疫组化等方法评估不同给药途径下ASC-Exos的治疗效果。通过小RNA测序分析软骨分化前后外泌体miRNA表达谱变化，利用双荧光素酶报告基因验证miR-140与MMP13的靶向关系。通过细胞活力、凋亡、迁移等实验在体外验证miR-140-Exos的作用机制。

ASC-Exos的分离鉴定与治疗潜力

研究人员成功从鹿茸组织中分离出ASCs，这些细胞表现出典型的纺锤形形态，高表达CD73和CD90等干细胞标志物，而CD34和CD45等造血干细胞标志物表达为阴性。多向分化实验显示ASCs具有成脂、成骨和成软骨分化能力，其中成软骨分化能力尤为突出。从ASCs培养上清中分离的外泌体呈现典型的杯状形态，平均直径约86.4纳米，表达CD63、TSG101和CD9等外泌体特异性标志物。

在OA大鼠模型中，研究人员比较了关节腔内注射、静脉注射和口服给药三种途径的治疗效果。结果显示，关节腔内注射ASC-Exos能显著促进软骨修复，改善关节结构，而静脉注射效果次之，口服给药效果最弱。组织学分析表明，ASC-Exos治疗能增加软骨厚度，促进蛋白聚糖合成，降低骨关节炎研究协会国际(Osteoarthritis Research Society International, OARSI)评分。安全性评估显示，ASC-Exos治疗未引起明显的全身毒性反应，主要器官组织结构正常，血液学参数均在生理范围内。

miR-140作为关键治疗分子

为阐明ASC-Exos的作用机制，研究人员通过小RNA测序比较了软骨分化诱导前后外泌体miRNA表达谱的差异。结果显示，共有157个miRNA表达发生显著变化，其中83个上调，74个下调。值得注意的是，miR-140在软骨诱导后的外泌体(Chr-ASC-Exos)中表达最为显著，提示其可能在软骨分化过程中发挥关键调控作用。

研究人员通过构建miR-140过表达和抑制的ASCs稳定细胞系，成功获得了工程化的miR-140-Exos和anti-miR-140-Exos。细胞实验表明，miR-140-Exos能显著提高IL-1β诱导的炎症环境下软骨细胞活力，促进细胞迁移，而anti-miR-140-Exos则部分逆转了ASC-Exos的保护作用。

miR-140靶向MMP13调控OA进程

生物信息学分析预测，miR-140可能与基质金属蛋白酶13(Matrix Metalloproteinase 13, MMP13)的3'非翻译区(3'UTR)存在结合位点。双荧光素酶报告基因实验证实，miR-140能直接靶向MMP13的3'UTR区域，抑制其表达。MMP13是II型胶原降解的核心效应分子，与OA软骨退变严重程度呈正相关。

在分子机制层面，研究发现miR-140-Exos能显著降低MMP13的mRNA水平，抑制MMP13介导的胶原降解，同时降低NLRP3炎症小体的表达。酶联免疫吸附试验(Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, ELISA)显示，miR-140-Exos能有效抑制促炎细胞因子IL-6和TNF-α的释放。进一步的拯救实验证实，miR-140-Exos通过直接抑制MMP13，进而抑制NLRP3炎症小体的活化。

miR-140工程化外泌体的治疗优势

在动物实验中，研究人员系统评估了工程化miR-140-Exos的治疗效果。结果显示，与普通ASC-Exos相比，miR-140-Exos在促进软骨修复、增加II型胶原表达、抑制NLRP3和MMP13表达方面表现出更强的作用。在急性和慢性OA模型中，miR-140-Exos均能显著改善关节形态学变化，而anti-miR-140-Exos的治疗效果明显减弱，进一步证实了miR-140在ASC-Exos治疗中的核心作用。

研究结论与意义

该研究首次系统阐明了鹿茸干细胞外泌体通过miR-140/MMP13轴在OA治疗中的双重调控机制：一方面通过抑制MMP13表达减少胶原降解，另一方面通过抑制NLRP3炎症小体活化减轻炎症反应，从而实现软骨保护与再生。研究开发的miR-140工程化外泌体不仅展现了优于天然外泌体的治疗潜力，还为基于细胞外囊泡的OA治疗提供了新策略。

从转化医学视角，鹿茸作为一种可再生的生物资源，为其衍生外泌体的规模化生产提供了可能。然而，该策略的临床转化仍面临挑战，包括异种来源外泌体的免疫原性评估、规模化生产工艺优化、以及给药策略的进一步完善。未来研究可探索基于水凝胶的缓释系统，延长外泌体在关节内的滞留时间，提高靶向递送效率。

这项研究不仅证实了跨物种生物材料干预退行性疾病的可行性，也为理解ASC-Exos介导的细胞间通讯和协同软骨修复机制提供了新视角，为开发基于工程化外泌体的OA精准治疗策略奠定了坚实基础。