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海军军医大学:工程化的外泌体miR-181b通过调节巨噬细胞极化改善骨整合

​一些患者在体内植入钛合金后,由于对异物产生免疫反应,会抑制后续的成骨作用,可能导致骨整合不良,目前临床上尚无合适的解决方案。来自海军军医大学第二附属医院(上海长征医院)杨立利课题组以及上海交通大学附属第六人民医院邵明哲课题组的研究人员发现,携带miRNA的外泌体(Exo)可以解决这一问题,外泌体miR-181可以抑制钛合金引起的免疫反应、促进成骨作用并调节巨噬细胞极化,从而促进骨整合并减少种植体松动的发生。该研究发表于Journal of Nanobiotechnology杂志上。
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在骨整合(osteointegration)时,部分患者在接受钛合金内固定或假体植入后,由于对异物的先天免疫反应过度,出现种植体松动,可引起内固定物或假体周围急性或严重的炎症反应,损害髓腔内的成骨过程,最终导致骨整合不良。相反,适当的抗炎免疫反应有利于血管生成和成骨形成。因此需要改善局部免疫环境、促进有利于骨整合的血管生成和成骨作用。
骨免疫学的发展给了我们一个启示,我们可以适当地修饰植入物,调节局部过度的炎症反应,避免不良的骨整合,提高患者术后的生活质量。骨免疫学概念表明,植入物表面特性控制着巨噬细胞对成骨细胞的作用(刺激或抑制)。巨噬细胞包含经典激活 (M1) 和替代激活 (M2) 两种途径,在伤口愈合和组织再生中发挥关键作用。M1亚型促进炎症,不利于组织修复,而M2抑制炎症,促进组织再生和修复。例如,锌可通过促进M2巨噬细胞极化来促进成骨。此外,分级纤维内矿化胶原材料,可用于诱导M2巨噬细胞极化以促进骨再生。
MicroRNA(miRNA)是具有表观遗传功能的非编码RNA的一种,可以通过与特定靶标 mRNA 的 3' 非翻译区(3' UTR)结合来发挥其作用,促进 mRNA 的降解或抑制其翻译。在不同物种中,miR-181家族高度保守,该家族包括四个成熟的miRNA:位于1号和9号染色体上的miR-181a和miR-181b,以及在19号染色体上的miR-181c和miR-181d。据报道,miR-181b 在调节许多生物过程中具有不同的作用,如细胞生长、肿瘤血管生成等。MiR-181b可以通过外泌体依赖的方式抑制 M1 巨噬细胞极化,在急性心肌梗死后提供心脏保护。此外,通过直接靶向Notch1,miR-181b 可以通过增强 M2 极化来降低动脉粥样硬化斑块的脆弱性。有报道miR-181b启动子的高甲基化会负调控miR-181b 的表达, 降低miR-181b 的活性, 从而降低M2 极化并促进 M1 极化, 从而促进冠状动脉疾病。目前尚无关于miR-181b对钛种植体免疫调节的研究。因此,探索miR-181b在骨免疫学中的作用具有重要意义。该研究的目标是将miR-181b 应用于患者的临床实践,但 miRNAs 是单链 RNA,在体内很容易被酶降解,不能充分发挥其作用。因此,需要纳米载体来保护它们免于降解。 
外泌体 (Exo) 是细胞外纳米级囊泡,直径为 30 至 200 nm,携带复杂的货物,包括蛋白质、核酸、脂质,并在细胞间通讯中发挥重要作用。完全天然的外泌体不足以治疗各种疾病,需要进行一些修饰。由于 miRNA 是可用于组织再生的货物之一 ,因此可以通过转染过表达方法赋予Exo特定的 miRNA 来建立工程化的Exo。
间充质干细胞 (MSCs) 是具有免疫调节和多能性的细胞,有益于炎症相关疾病的治疗。有报道称,人骨髓间充质干细胞(hBM-MSC)来源的Exo可调节巨噬细胞表型并发挥免疫调节作用,这两种细胞在骨髓中共存,并存在Exo介导的细胞通讯。此外,MSC 衍生的 Exo 已应用于许多领域。例如,MSC衍生的Exo可以通过 miR-182 调节巨噬细胞极化,从而减轻心肌缺血再灌注损伤。人脐带间充质干细胞 (hUCMSC) 衍生的Exo可以通过介导miR-181c 来减轻烧伤诱导的过度炎症。 
在本这项中,研究人员探讨了过表达 miR-181b的外泌体(Exo-181b)是否可以促进M2 巨噬细胞极化,从而抑制炎症并促进成骨作用,以及Exo-181b是否可以增强骨整合。在体外实验中,研究人员首先证实 Exo-181b 通过抑制 PRKCD 和激活 p-AKT 显著增强 M2 极化并抑制炎症。在体内研究里,研究人员证实 Exo-181b 增强了 M2 极化,减少了炎症反应并增强了骨整合。此外,研究人员证实,M2极化的增强可以通过体外分泌 VEGF 和BMP-2间接促进迁移和成骨分化。因此,Exo-181b 可以通过激活 PRKCD/AKT 信号通路促进 M2 极化来抑制炎症反应,从而进一步促进体外成骨作用和体内骨整合。 
参考文献:A novel delivery nanobiotechnology: engineered miR-181b exosomes improved osteointegration by regulating macrophage polarization. J Nanobiotechnology. 2021 Sep 7;19(1):269.​

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