间充质干细胞来源的外泌体在肿瘤治疗中的研究进展

Advances in Mesenchymal Stem Cell-Derived Exosomes in Tumor Therapy

摘要: 间充质干细胞(MSCs)是一类来源广泛的多能干细胞，同时具备低免疫原性和高增殖能力的特性，并可从多种组织器官中分离并进行培养。不仅如此，MSCs还能产生大量外泌体(MSCs-exosomes, MSCs-Exo)，其内含有丰富的生物标志物和具有细胞间通信功能的生物分子，从而在免疫调节中发挥着重要作用。在静息或应激条件下，MSCs-Exo可介导肿瘤微环境中细胞间的信息交流和传递。这些特点使其在肿瘤治疗领域的应用前景相当广阔。研究表明，MSCs-Exo在肿瘤的生长、浸润、耐药以及转移等多个方面都具有重要作用。本文综述了MSCs-Exo的定义及特征，着重探讨了MSCs-Exo对肿瘤的影响，以及其在肿瘤治疗领域中的发展与挑战。

Abstract: Mesenchymal stem cells (MSCs) are a widely sourced type of pluripotent stem cell, possessing characteristics of low immunogenicity and high proliferative capacity, and can be isolated and cultured from various tissues and organs. Additionally, MSCs have been found to secrete abundant extracellular vesicles, known as MSCs-exosomes (MSCs-Exo), which contain a rich array of biomolecules and function as intercellular communicators, playing crucial roles in immune regulation. Under both resting and stress conditions, MSCs-Exo mediate intercellular information exchange and transmission within the tumor microenvironment. These features render them promising candidates for applications in cancer therapy. Studies have shown that MSCs-Exo exert significant effects on various aspects of tumor growth, infiltration, drug resistance, and metastasis. This review outlines the definition and characteristics of MSCs-Exo, focusing on their impact on tumors, as well as their development and challenges in the field of cancer therapy.

1. 背景

间充质干细胞(Mesenchymal Stem Cells, MSCs)是一类源自中胚层的多能干细胞，在人体多种组织中广泛存在，包括但不限于骨髓(BM)、脂肪组织、肝脏、肠道、肺部、结缔组织、脾脏、皮肤、胎盘及脐带等 [1] [2] [3] 。这些干细胞表现出广泛的多能分化潜能，可以分化为多种细胞 [4] ，包括但不限于骨细胞、脂肪细胞和软骨细胞等 [5] 。同时，MSCs可以从多种组织中进行分离培养，然而其生物活性和功能并不会因此受到影响，这使得MSCs成为当前最具有前景的干细胞之一 [6] [7] 。当前研究证实MSCs来源的外泌体 (MSCs-exosomes，MSCs-Exo)中含有蛋白质、mRNA、microRNA、细胞因子、转录因子受体等多种生物活性物质，可以在细胞之间建立积极通信。MSCs-Exo通过控制不同生物活性物质调节体内不同细胞途径，进而影响疾病的发生与发展过程 [8] 。随着对于MSCs-Exo研究的进一步深入，以MSCs-Exo作为基础的新型治疗工具已经在器官移植、神经元恢复、骨关节炎、心血管疾病 [9] [10] [11] 等多种疾病的治疗过程中被广泛应用，并且取得了良好的诊疗效果。近年来，肿瘤的发病率呈现逐年增高并伴有年轻化的趋势，这引起了人们的重视，因此明确MSCs-Exo在肿瘤进展与治疗过程中所扮演的角色成为目前亟需探索的问题，本文就MSCs-Exo的特征、MSCs-Exo对肿瘤生长及过程中的影响，以及在肿瘤治疗过程中的发展与挑战进行系统性综述，为未来肿瘤的多维度治疗方案提供新思路。

2. MSCs-Exo的来源与特征

2.1. MSCs-Exo的来源

据相关研究，1983年人们首次在大鼠的网织红细胞中发现一种具有脂质双分子层的囊性小泡 [12] 。1987年科学家们在绵羊体内的网织红细胞中通过超高速离心法再次观察到此类囊泡，Johnstone等人将此物质命名为外泌体(exosomes, exo) [13] 。外泌体可以由多种细胞类型分泌，包括上皮细胞、干细胞、免疫细胞和肿瘤细胞。此外，它们通常存在于各种生物体液中，如血液、唾液、尿液和母乳 [14] 等。而其中间充质干细胞则是产生外泌体能力最强的细胞，具有强大的多向分化潜能，主要存在于骨髓、胎盘、脂肪组织、脐带血及其他结缔组织和器官间质中 [15] ，其中骨髓中MSCs的含量则尤其多 [16] 。

随着对MSCs以及MSCs-Exo的进一步研究，MSCs的生物学机制有三种途径来实现：首先是MSCs的迁移和归巢特性，MSCs能够归巢到相应的病变区域，与周围组织微环境分子之间的复杂相互作用通常受到组织损伤类型和持续时间，以及相关局部炎症强度的影响 [17] 。同时，MSCs表面表达多种因子受体还可以与微环境中的炎症因子结合，从而迁移到炎症或癌症部位 [18] ；其次则是旁分泌特性，相当多的实验结果证实了MSCs在机体的损伤修复、肿瘤转移、免疫调节等过程中的病理生理作用，并不是由于其自身的增殖与分化带来的，而是依靠MSCs的旁分泌作用下产生的MSCs-Exo来完成；最后是免疫调节特性，MSCs通过抑制免疫细胞(例如T细胞、B细胞、巨噬细胞等)的激活和功能，参与调节免疫反应 [19] 。

但是，有研究人员发现 [20] ，只有1%的MSCs可以在我们期望的靶器官中定植，其中大部分累积在肝脏、脾脏和肺部，只有少量的MSCs可以长期停留在损伤部位。因此，MSCs-Exo不仅可以是细胞间的通讯载体 [21] ，同时也是MSCs旁分泌机制中发挥重要作用的生物学因子 [22] 。

2.2. MSCs-Exo的特征

MSCs-Exo作为MSCs在病理或生理状态下分泌的一种直径大小在30~150 nm之间的膜性囊泡 [23] ，在此内囊泡的封闭空间内含有胞浆蛋白质、microRNA、mRNA以及趋化因子、细胞因子等细胞活性物质 [24] 。MSCs-Exo通过与靶细胞膜融合作用，将活性物质进行细胞间传递进而影响靶细胞功能。MSCs-Exo作用于靶细胞的方式主要有两种：① 靶细胞通过胞吞的方式摄取MSCs-Exo；② MSCs-Exo胞膜直接与靶细胞胞膜相结合 [25] ，这两种方式旨在通过交换蛋白质和遗传物质以受体配体的方式来促进细胞间的交流，达到信号调节的目的。还有研究发现，这些不同来源的MSCs-Exo拥有一套相似的蛋白质分子，其中包括四次跨膜蛋白(CD81、CD63、CD9)、Alix和Tsg101等，这说明它们有类似的生物活性，但每种来自不同原始细胞类型的MSCs-Exo都拥有独一无二的特异性蛋白质，其中包含其生物发生和功能特性所需的特定分子集合，以此来反映细胞的独特的生物活性。而MSCs-Exo中的microRNAs作为内源性非编码小RNA，可以与囊泡内包含的其他蛋白质如肌动蛋白、膜联蛋白、微管蛋白及其结合蛋白等骨架蛋白 [26] 一起通过调节细胞信号通路来影响细胞的增殖及凋亡，进而对于疾病的进展与转归起到至关重要的作用 [27] 。近年来，越来越多的研究表明MSCs-Exo参与多种肿瘤促进活动，包括抗凋亡 [27] 、转移 [28] 、血管生成 [29] 、免疫逃逸和化疗耐药 [30] 等。因此明确以MSCs-Exo作为载体的新型肿瘤治疗手段，深入探索肿瘤细胞间发生、发展及治疗等调节作用的机制，不仅可以为肿瘤的多维度治疗提供新思路，还可以为患者制定个性化治疗方案提供基础。

3. MSCs-Exo在肿瘤治疗中的影响

MSCs-Exo通过交换功能内容物在肿瘤细胞间进行沟通，因此在维持体内平衡和对抗应激方面发挥着重要作用。又因为其脂质膜能够包裹并保护所负载的内容物(如蛋白质、mRNA、脂质、DNA、miRNA和非编码RNA)不被体液中的降解酶分解，所以MSCs-Exo也可以作为纳米级的天然多功能载体，用于递送治疗癌症的药物 [28] 。

3.1. MSCs-Exo对肿瘤生长的影响

我们目前已知MSCs-Exo可以携带具有特殊活性的microRNAs，Lee等学者观察到携带miR-16的MSCs-Exo与肿瘤细胞进行靶向结合后，可激活VEGF通路，产生抗血管生成的作用，进而抑制肿瘤血管生长 [29] 。同年，Katakowski等人通过修饰MSCs-Exo，使其中的miR-146过表达，抑制了脑瘤的生长的特点 [30] 。在此之后K.Takahara等人曾使脂肪间充质干细胞(Adipose MSCs-Exo)转运miRNA-145来降低Bcl-xl的活性，并通过caspase-3和caspase-7途径促进肿瘤细胞凋亡，从而抑制前列腺癌的生长 [31] 。另外有报道称研究人员在治疗子宫内膜癌的过程中发现负载miR-302A的人脐带间充质干细胞外泌体(hUCMSCs-Exo)可以通过抑制细胞周期蛋白D1和AKT信号通路的表达，从而抑制子宫内膜癌细胞的增殖 [32] 。因此，利用MSCs-Exo作为携带肿瘤抑制miRNA或化疗药物的生物载体可以通过影响细胞间的信号通路来对肿瘤的生长进行有效的抑制，是一种潜在的癌症治疗方法。但值得注意的是，不同来源的MSCs-Exo对同一肿瘤细胞系的作用可能不一致。例如，bm-msc来源的外泌体抑制小鼠乳腺癌细胞系4T1的血管生成 [29] ，而at-msc来源的外泌体促进人细胞系MCF-7的迁移 [33] 。

3.2. MSCs-Exo对肿瘤转移的影响

据报导可知，β-catenin是公认的促癌通路Wnt/β-catenin信号通路中的一个关键分子，它促进了肿瘤的发展，同时也在导致肿瘤发生侵袭和转移的上皮–间叶细胞转化(Epithelial-mesenchymal transition, EMT)中发挥着重要作用 [34] 。而通过大量体内外实验发现，将MSCs-Exo中miR-34c进行过表达处理后，过表达的miR-34c可以直接靶向作用于β-catenin mRNA的3’-UTR区域，降低了β-catenin的表达水平，从而抑制其中EMT诱导的恶性行为和放射抗性，改善了鼻咽癌细胞的转移和侵袭 [35] 。Jahangiri B的研究中，骨髓间充质干细胞外泌体(Bone marrow mesenchyml stem cell, BMSCs)通过转运miR-100和miR-143调节miR-100/mTOR/miR-143轴，抑制Cyclin-D1、HK2和KRAS，并上调p27的表达，最终抑制了人类结直肠癌细胞(colorectal cancer cells)的EMT与迁移 [36] 。

3.3. MSCs-Exo对肿瘤耐药的影响

越来越多的证据表明，MSCs-Exo可以调节细胞凋亡相关蛋白介导化学耐药。有研究报道称，搭载有miR-146a的hUCMSCs-Exo可通过激活PI3K/Akt信号通路来降低卵巢癌(Ovarian cancer, OC)细胞中LAMC2的表达，增加了对化疗药物多烯紫杉醇(DTX)和紫杉醇(TAX/PTX)的敏感性 [37] 。Xu的研究发现，含有miR-451a的UC-MSCs-Exo可通过抑制ADAM10抑制肝癌细胞中Hep3B和SMMC-7721细胞系的EMT趋势，进而增加肝癌细胞对紫杉醇(TAX/PTX)的敏感性 [38] 。另一方面，有研究称M2-exos中分离出较高水平的microRNA-21 (miR21)异构体，其可直接从巨噬细胞转移至胃癌细胞，激活参与癌症病理和化疗耐药的PTEN/PI3K/AKT信号通路，导致PTEN的下调和AKT的激活增加，最终增强胃癌细胞对顺铂的耐药性 [39] 。而在Tao Luo的研究中，MSCs-Exo还能通过使其内含有的miR-21-5p介导的结合蛋白高表达，以此促进乳腺癌细胞对化疗药物耐药性的产生 [40] 。因此，在肿瘤耐药性方面，以MSCs-Exo为基础的治疗方式所获得的疗效并不稳定，在增加其化疗敏感性等方面，仍需要经一部的探讨与研究。

4. MSCs-Exo在肿瘤治疗过程中的优势与挑战

4.1. MSCs-Exo在肿瘤治疗过程中的优势

MSCs-Exo在肿瘤治疗中具有诸多优势。首先，MSCs-Exo能够释放一系列的生物活性因子，如细胞因子、miRNA和蛋白质等，这些因子对肿瘤细胞的增殖、侵袭、转移和耐药性具有调控作用，进而抑制肿瘤的生长和扩散，其中还可以运载TGF-β1、紫杉醇 [41] 等抗癌生物制剂，介导生长因子和蛋白质表达调控，作为优秀的理想药物传递载体在肿瘤治疗中发挥作用。其次，由于MSCs-Exo膜结合蛋白含量较低，因此MSCs-Exo比起它们的亲本细胞结构体积更小、免疫原性也更低 [42] 。有研究报道，与相同大小的脂质体相比，MSCs-Exo在肿瘤细胞内的内化程度可高达10倍 [43] ，意味着MSCs-Exo在癌症治疗中具有显著的靶向性，这有利于MSCs-Exo在体内引起较小的免疫反应，从而降低治疗过程中的不良反应。此外，MSC外泌体能够穿越血脑屏障 [44] 和其他生物障碍物，有效地到达肿瘤组织，增强治疗效果。最后，MSCs-Exo所含的跨膜蛋白和膜锚定蛋白可能会提高其内吞作用，进而促进其内部内容物的递送 [44] 。基于这些发现，可推断MSCs-Exo拥有来源广泛、直径较小、可以与靶细胞快速结合、所含有的生物活性因子丰富、参与的细胞间交流频繁等多种优点 [45] [46] 。综上所述，MSCs-Exo在肿瘤治疗中具有很大的潜力，为开发新型肿瘤治疗策略提供了新的思路和途径。

4.2. MSCs-Exo在肿瘤治疗过程中的挑战

近年来，大量研究表明，MSCs-Exo因为其稳定易控且免疫排斥反应较小而作为药物载体，在靶向治疗肿瘤方面已经取得了多起突出的成果。我们虽然可以预见外泌体在恶性肿瘤治疗领域中的巨大潜力及广阔的治疗前景并期望尽快投入临床治疗中，但现阶段想要充分发挥外泌体作为药物载体的潜力，并达到广泛临床应用仍然有相当大的局限性，原因如下：

首先，MSCs-Exo的组成和作用机制尚不完全清楚，这给其在治疗过程中的安全性和效果带来了不确定性。不同组织以及不同的理化因素影响下可产生具有分子机制差异的MSCs-Exo，导致不同MSCs-Exo对不同肿瘤的治疗效果与机制并不能完全确定，可以说外泌体对肿瘤的治疗及预后改善依然具有双重性及复杂性。因此，在单独使用MSCs-Exo治疗肿瘤前，必须规范MSCs培养和MSCs-Exo提取的方案，明确MSCs-Exo对特定肿瘤的作用和机制。

其次，目前MSCs-Exo的分离方法分为：① 差速超速离心法：此方法虽然耗时较长且损耗较高，分离出的MSCs-Exo数量较少、直径偏大，但可以大量处理样本，是目前应用最广泛、最传统的方法；② 密度梯度离心法：此方法耗时更长但可以分离出纯度更高且保留原本生物活性的MSCs-Exo；③ 过滤离心法：利用超滤膜对MSCs-Exo进行离心分离，在Lai RC [11] 的研究下虽然通过滤过膜成功分离出MSCs-Exo但此方法不能对所提取MSCs-Exo的纯度进行保证；④ 旋转超滤法：此方法同样利用超滤膜对不同分子量的物质的过滤作用，仅需要527k Pa的压力即可提取出较为完整的MSCs-Exo，再通过多次PBS冲洗减少蛋白污染，但同样拥有纯度不足的问题 [47] ，以及通过生物公司所研制的特殊试剂盒进行MSCs-Exo提取。以上各种方法并不能满足临床治疗经济便捷高效的需求，为我们临床推广MSCs-Exo相关抗肿瘤治疗带来难题。

最后，MSCs-Exo作为新兴出现的抗肿瘤分子，其在体内的分布、代谢和清除机制尚不明确，其抑瘤或抗肿瘤作用可能与其来源、培养及提取方法、癌细胞的异质性以及周围微环境有关，这限制了其在治疗过程中的有效性和持久性。我们缺乏相关生物作用学、稳定持续时间、剂量的标准等有效实验数据，这些问题在正式临床使用前都亟需解决。

5. 总结与展望

综上所述，随着越来越多的抗肿瘤药物投入临床使用，患者更加追求更高获益、延长生存期且不良反应少的治疗手段，但目前抗肿瘤药物仍存在低敏感性、易脱靶、突变几率高等缺陷。随着对于MSCs-Exo探索的深入，以MSCs-Exo为基础的生物疗法逐渐引起大家的重视，其在肿瘤的生长、迁移以及耐药方面具有强大功能，成为肿瘤治疗的关键，在肿瘤治疗领域蕴藏着巨大的临床研究前景，同时在MSCs-Exo抗肿瘤靶向治疗的研究中仍有一些残留的困难没有完全克服。首先，MSCs-Exo的提取过程复杂、耗时久、损耗难度高等问题，故而导致其抗肿瘤治疗成本过高，不宜临床推广，我们需要建立更加精简的MSCs-Exo操作、分离和鉴定方式，规范其生成方法和培养体系，使MSCs-Exo在今后的研究中具有更好的可重复性。其次，还需要进一步实验研究，以确定MSCs-Exo的最佳治疗剂量、间隔、合适的途径和分离方法，并优化MSCs-Exo的培养条件，使各种器官疾病或癌症患者的不良反应最小化，达到良好的治疗效果，更适用于临床实际情况的治疗。MSCs-Exo作为载体的抗肿瘤药物在肿瘤治疗领域展现其巨大的临床医疗前景，设计并完善相关的抗肿瘤治疗策略和新方案，进一步探索外泌体在肿瘤治疗中的机制和应用，已经成为众人关注的研究领域。

基金项目

陕西省创新能力支撑计划(No：2024RS-CXTD-84)。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。