Research progress of umbilical cord mesenchymal stem cell-derived exosomes in treatment of tumor
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摘要:
脐带间充质干细胞是一种来自脐带的具有多向分化潜能的干细胞, 可通过外泌体介导抑制肿瘤发展。脐带间充质干细胞外泌体可能通过参与免疫反应、抑制肿瘤细胞的增殖和侵袭、减少血管生成、提高药物敏感性等方式发挥抗肿瘤作用。但目前国内外关于脐带间充质干细胞外泌体用于肿瘤治疗的研究较少，本文对其在肿瘤治疗中的作用机制和应用前景进行综述。
Abstract:Umbilical cord mesenchymal stem cells are multidirectional stem cells from the umbilical cord that can inhibit tumor development through exosomes. Exosomes secreted by umbilical cord mesenchymal stem cells play an anti-tumor role by participating in immune response, inhibiting tumor cell proliferation, reducing angiogenesis and improving drug sensitivity. However, there are few studies on the application of exosomes secreted by umbilical cord mesenchymal stem cells in tumor therapy. The paper reviewed the mechanism of action and application prospect of these drugs in tumor therapy.
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Keywords:
- umbilical cord mesenchymal stem cells /
- exosome /
- tumor /
- treatment /
- drug delivery
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美国癌症协会2021年发布的全球癌症统计报告[1]显示，结直肠癌、乳腺癌、前列腺癌及肺癌的病死率呈下降趋势，近年来治疗方法的进步是主要原因之一。传统手术、放化疗等抗肿瘤方法有严重副作用，迫切需要一种安全有效的治疗方法。外泌体是纳米级细胞外囊泡，具有生物相容性好、免疫原性低、毒性低和靶向特异性好等优点[2]。间充质干细胞外泌体(MSC-Exo)作为一种极具潜力的靶向治疗方法，近年来引起了研究者的广泛关注。本文综述了脐带间充质干细胞外泌体(UC-MSC-Exo)抗肿瘤的作用机制及治疗潜力，以期为进一步研究和开发基于UC-MSC-Exo的肿瘤治疗提供新思路。
1. UC-MSC-Exo的特性与肿瘤
间充质干细胞(MSCs)是一类具有自我更新能力和多向分化潜能的多能干细胞，由于其具有强大的免疫调节和组织再生修复能力及免疫抑制特性, MSCs疗法已成为治疗癌症的新策略。脐带间充质干细胞(UC-MSCs)是一种来源于脐带组织的干细胞，其获取方式对机体的侵入性较小，免疫原性低，易于分离培养，无伦理道德问题[3], 因此近年来在临床得到广泛应用。截至2022年7月，共有357项UC-MSCs临床试验注册于美国国家卫生研究院临床试验注册网站，其中10项涉及肿瘤治疗。UC-MSCs具有较强的细胞增殖能力和修复能力，参与调节肿瘤进展和免疫应答。研究[4-5]表明, UC-MSCs可以通过外泌体作用于免疫细胞，从而延缓肿瘤细胞的生长。
外泌体直径为30~50 nm, 是一种由细胞内多泡体与细胞膜融合后释放出的小囊泡，含有蛋白质、核酸、脂质等成分，在介导细胞间物质传递及信息交流中发挥重要作用[6]。由于结构类似于细胞膜，外泌体不仅具有良好的耐受性，而且能够逃避免疫系统细胞的吞噬[7]。研究[8]表明，外泌体参与肿瘤微环境(TME)调节，对肿瘤的增殖和进展起着重要作用。此外，外泌体可“识别”特定细胞，通过外泌体传递治疗药物比其他生物载体(如脂质体)具有更好的疗效和较小的脱靶效应。因此，外泌体可以用于治疗性递送小分子、蛋白质和RNA, 从而高效靶向癌细胞。与MSCs相比, MSC-Exo具有相同或更好的治疗效果，并且避免了MSCs引起的免疫排斥等不良反应，在与肿瘤细胞相互作用的过程中表现出更好的组织穿透性、生物相容性和稳定性[9]。
UC-MSC-Exo既保留了UC-MSCs的优点，又具有外泌体相关优势，已经成为纳米药物传递的主要载体。目前，它们已经在包括肿瘤、神经退行性疾病和免疫疾病在内的多种疾病治疗中得到应用。另外，外泌体结合工程化技术可以提高药物的靶向作用[10]。一项应用外泌体携带小分子STING激动剂治疗晚期实体瘤的Ⅰ/Ⅱ期临床试验正式启动[11]。2021年1月，美国开展了一项利用MSC-Exo装载KrasG12D相关特异性的小分子干扰核糖核酸(siRNA)来抑制胰腺癌的Ⅰ期临床研究(临床试验ID: NCT03608631), 结果将于2023年3月公布。此外, YUAN L等[12]证实，过表达微小核糖核酸(miRNA)-148b-3p的UC-MSC-Exo可抑制乳腺癌细胞(MDA-MB-231)的增殖。以上结果表明, UC-MSC-Exo是一种理想的肿瘤药物递送系统。
2. UC-MSC-Exo在抗肿瘤中的作用及机制
2.1 促进抗肿瘤免疫反应
TME是一个由内皮细胞、成纤维细胞、免疫细胞、肿瘤细胞、MSCs等构成的复杂生态系统。MSCs是TME中的重要组成部分，作用是调节机体免疫功能[13], 从而延缓肿瘤生长。研究[14]表明, MSCs能使巨噬细胞极化为M2表型，减少中性粒细胞和树突状细胞数量，从而达到免疫抑制的目的。此外, MSCs还能通过趋化因子配体2(CCL2)通路增强CD4+和CD8+ T淋巴细胞的增殖[15]。肿瘤免疫编辑理论将肿瘤免疫划分为3个时期: 免疫监视期，免疫平衡期和免疫逃逸期。在这3个时期中，肿瘤细胞和免疫细胞通过外泌体介导的方式频繁沟通，特别是在肿瘤逃逸阶段。外泌体是TME中一种重要的免疫调控介质，可以通过直接活化CD4+和CD8+ T淋巴细胞等多种途径将抗原和信号转移到抗原呈递细胞[16]。MSC-Exo还可以通过调节肿瘤免疫反应介质(包括先天性和适应性)的产生来影响肿瘤进展。MSC-Exo主要介导免疫抑制。研究[4]发现, UC-MSC-Exo可以通过抑制炎性巨噬细胞的浸润和功能、抑制炎性Th17细胞的分化、降低促炎细胞因子的表达以及诱导抗炎细胞的分化来改善溃疡性结肠炎。LI D等[17]发现, UC-MSC-Exo通过释放miR-182增加T细胞和自然杀伤(NK)细胞数量来调节肿瘤细胞对免疫细胞的敏感性，从而促进对肿瘤细胞的杀伤力。结果表明, UC-MSC-Exo能通过调控机体的免疫应答来增强机体的抗肿瘤免疫能力，从而抑制肿瘤进展。
2.2 抑制肿瘤增殖、侵袭和转移
MSC-Exo是MSCs与肿瘤微环境(TME)相互作用的桥梁，可以通过传递功能性生物分子(如蛋白质、RNA等)来调控TME，影响肿瘤进展。特别是外泌体miRNA，外泌体的闭合功能可以阻止miRNA被降解，使其转移至受体细胞并参与多种肿瘤相关的生物过程，在TME及肿瘤治疗中扮演着关键角色。越来越多研究证明，来自UC-MSC-Exo的miRNA可以在多种癌症中发挥抗肿瘤作用。JIA Y等[18]将过表达miR-139-5p的UC-MSC-Exo与膀胱癌细胞共培养发现, UC-MSC-Exo可将miR-139-5p转移到膀胱癌细胞中，通过靶向下调膀胱癌中多梳状抑制因子复合物1(PRC1)来阻止膀胱癌细胞的增殖、迁移和侵袭。UC-MSC-Exo也可以通过释放肿瘤抑制性的miR-3940-5p来下调癌蛋白整合素α6(ITGA6)表达，从而抑制结直肠癌细胞的生长、侵袭和转移[17]。此外, UC-MSC-Exo可以通过向肿瘤细胞传递miRNA来激活特定的信号通路进而控制肿瘤进展。QIU L等[19]指出, UC-MSC-Exo的miR-146a 可以通过靶向层粘连蛋白亚基γ2(LAMC2) 来调节磷脂肌醇3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B (AKT) 信号通路，从而降低卵巢癌细胞的生长和化学抗性。另一项研究[20]表明，含有miR-302a的工程UC-MSC-Exo能够通过抑制cyclin D1和AKT信号通路的表达来抑制子宫内膜癌细胞的增殖、迁移。HE Z等[21]通过皮下注射KYSE70细胞建立裸鼠皮下异种移植肿瘤模型将过表达miR-375 agomir的UC-MSC-Exo(exo-miR-375 agomir) 注入裸鼠体内。结果显示，与注射生理盐水的小鼠相比，注射exo-miR-375 agmoir的小鼠肿瘤体积和重量显著减少且肿瘤组织中的细胞层和细胞结构更加完整。实验证明, UC-MSC-Exo递送的miR-375通过下调靶基因ENAH、灭活Bcl-2信号通路来抑制食管鳞状细胞癌(ESCC)细胞增殖、侵袭和迁移[21]。
2.3 减少血管生成
血管生成在肿瘤发生过程中起着关键作用。血管为肿瘤的生长和转移提供氧气和营养，促进肿瘤的发展。外泌体可以通过将信息传递给内皮细胞从而诱导抗血管生成信号的产生，并能根据TME的改变调整其内容物的组成来调节血管形成[22]。外泌体miRNA介导的信号转导能促进这一过程，在血管生成中起着重要作用。MSCs可通过分泌外泌体的方式调控VEGF的表达从而抑制血管生成。MSC-Exo携带的microRNA-100可以通过哺乳动物雷帕霉素蛋白(mTOR)/缺氧诱导因子1A(HIF1A)/血管内皮生长因子(VEGF)信号轴抑制血管生成进而抑制乳腺癌发展[23]。另有研究[24]表明, MSC-Exo来源的miRNA-16可以显著且剂量依赖性地下调VEGF的表达，抑制乳腺癌细胞血管生成。此外, ROSENBERGER L等[25]发现, MSC-Exo可下调VEGF的表达，抑制口腔鳞状细胞癌的生长。UC-MSC-Exo还可通过降低AKT磷酸化水平和促进caspase-3的产生，从而对膀胱癌的增殖起到抑制作用。
2.4 提高肿瘤细胞的药物敏感性
肿瘤细胞对化疗药物的耐药性是导致肿瘤治疗效果不佳的主要原因。MSC-Exo与TME的调控类似，对肿瘤的耐药性起着重要作用。近年来, MSC-Exo表达的miR-199a可以通过mTOR通路增强肝细胞癌(HCC)的化疗敏感性，证明携带miR-199a的MSC-Exo可作为一种提高HCC化疗敏感性的新策略[26]。刘强等[27]研究表明, UC-MSCs可将miR-145转移到外泌体中，并被肾细胞癌(RCC)吸收，提高舒尼替尼对裸鼠体内和体外RCC的耐药性。其研究还证明, UC-MSC-Exo可以通过激活半胱天冬酶信号通路来增强人白血病细胞(K562细胞)对伊马替尼的敏感性。研究[28]显示, UC-MSC-Exo对抗药性的调节可以提高其在消化道肿瘤中的潜在作用和疗效。
3. UC-MSC-Exo在抗肿瘤治疗中的应用
3.1 作为细胞载体
目前，化疗已成为最常用的肿瘤治疗方案，但是，全身输注化疗药物会引起一系列不良反应，如恶心、呕吐、心肌病、脱发等。因此，有效的肿瘤靶向疗法已成为提高疗效的关键。迄今为止，用于肿瘤治疗的药物递送系统(DDS)主要包括合成聚合物、脂质体、胶束、超磁颗粒、蛋白质和重组病毒载体[29-30]。但是，当其应用于靶向治疗时，大多数纳米载体难以穿过血脑屏障、穿透组织或被受体细胞吸收[31]。外泌体具有低免疫原性、低毒性、半衰期长等优点，已成为新一代肿瘤治疗的理想载体[32-33]。由于外泌体与细胞膜的结构及成分相似，其不但具有良好的耐受性而且能够逃避免疫系统细胞的吞噬[7]。此外，作为药物递送载体的外泌体能够长期储存并维持其稳定性和活性[31]。许多药物和生物分子包括siRNA、miRNA、蛋白质、小分子药物等，都被成功地应用于肿瘤的治疗[34]。
MSCs是目前已知的唯一一种可以大规模产生外泌体的细胞[35]。在趋化因子诱导下, MSCs能通过循环系统进入病变组织，并能主动靶向癌细胞，既能增强药物作用又能减少各种不良反应。MSC-Exo不仅能够转移到肿瘤组织中[36], 而且能够通过血管渗漏在肿瘤组织中沉积，进一步增强其固有的归巢效应。MELZER C等[37]研究证明，含有紫杉醇的UC-MSC-Exo可以靶向乳腺癌组织，显著抑制肿瘤生长。UC-MSC-Exo是一种特异且高效的靶向药物，有望成为治疗肿瘤药物最有前途的载体。
3.2 生物工程外泌体
近些年，外泌体膜修饰、载荷封装和外泌体体内处置的调节引起广泛研究[38]。除共培养、电穿孔、冻融和机械挤压等传统的构建工程外泌体的技术外，基因工程已成为更有发展前景的选择[39]。外泌体是一种天然的药物递送载体，它可以渗透到机体组织中并通过生物工程的方式提高靶向性。生物工程化的外泌体能够将需要的内容物进行转移并增强靶向特异性，从而具有更高的治疗潜力。生物工程化的MSC-Exo具有较强的肿瘤趋向性、低免疫原性、高耐受性和纳米颗粒等特点，是一种新型的肿瘤药物载体[7]。MSC-Exo可以通过对细胞或外泌体的直接修饰，将不同的抗癌成分包装到MSC-Exo中，包括miRNA、siRNA、mRNA、药物和蛋白质[40]。例如，工程化的UC-MSC-Exo含有miR-302a, 能够抑制cyclinD1和AKT信号通路的表达，从而对子宫内膜癌细胞的增殖和迁移起到抑制作用[20]。李洪强[41]应用CRISPR/Cas9技术定点敲入SV40LT基因，成功构建永生化UC-MSCs细胞系，并采用慢病毒系统构建MYC-AS1转基因细胞系。研究[41]发现，该转基因细胞系的外泌体具有高水平的MYC基因的长非编码反义RNA(MYC-AS1)，对肝癌细胞HepG2具有明显的抑制作用，对UC-MSCs及其外泌体的基础研究和临床应用具有重要指导意义。XIE X等[42]发现，含有hsa-miRNA-128-3p的UC-MSC-Exo可通过靶向Galectin-3从而抑制胰腺癌细胞的增殖、侵袭和迁移，表明UC-MSC-Exo是胰腺癌治疗的一种潜方法。XIE H等[43]研究发现，含有miR-320a的UC-MSC-Exo可能通过SOX4蛋白/Wnt/β-连环蛋白轴抑制肺癌细胞生长，证明UC-MSC-Exo在肺癌治疗中的作用。LI T等[44]将含有miR-3940-5p的UC-MSC-Exo转染到结直肠肿瘤细胞，发现其通过下调ITGA6的表达和抑制转化生长因子β1(TGF-β1)信号通路的活性来抑制CRC细胞的上皮间充质转化、侵袭和转移。实验结果表明，来自UC-MSCs细胞外囊泡的miR-127-3p通过靶向ITGA6发挥抗肿瘤作用，其可作为一种新的绒毛膜癌治疗策略[44]。MA H等[45]发现, UC-MSC-Exo可保护和贮藏丰富的miRNA, 向绒毛膜癌细胞系ITGA6转移miR-127-3p。实验结果表明，由UC-MSC-Exo分泌的miR-127-3p可通过靶向ITGA6抑制绒毛膜癌细胞的上皮间充质转化，发挥抗肿瘤效应[45]。
4. 小结
近年来，外泌体已成为肿瘤新型疗法研究的焦点。UC-MSC-Exo具有较强的肿瘤抑制性、强肿瘤趋向性、低免疫原性、高耐受性和生物相容性等优点，已成为治疗肿瘤靶向药物的最佳载体之一。多项研究证明，外泌体结合工程技术可以进一步提高药物的特异性和靶向性。但是，目前UC-MSC-Exo在抗肿瘤方面仍存在诸多问题亟需解决。首先, UC-MSC-Exo影响肿瘤生长和侵袭的机制尚不完全明确，仍有少数UC-MSC-Exo可以促进肿瘤进展。因此，必须仔细鉴别外泌体在肿瘤中的作用。其次，外泌体和靶细胞结合后的融合及物质排出还需更深入研究。目前，外泌体疗法已进入临床试验阶段，外泌体作为药物载体必须评估其给药途径、剂量、效率和成本。临床应用前必须为生物工程化UC-MSC-Exo的培养条件、修饰、生产、纯化、表征和储存建立完善的系统标准。
综上所述, UC-MSC-Exo可以通过免疫调节、抑制肿瘤细胞增殖侵袭、减少血管生成和提高药物敏感性等方式发挥抗肿瘤作用，同时还具有良好的肿瘤靶向性，已成为有前景的抗肿瘤药物递送系统。但目前UC-MSC-Exo在肿瘤治疗方面的应用尚处在初级阶段，有待于更多的研究推动其从临床前研究转向临床实践。相信随着蛋白质组学、基因组学和纳米技术的不断发展，其临床应用必将取得重大进展。
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期刊类型引用(4)
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百度学术
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