第4个英文作者要核对一下
骨关节炎(OA)是一种以关节软骨退行性变为主要特征的慢性进行性骨关节疾病,常伴有关节软骨下骨的硬化、骨赘形成、滑膜炎症反应以及关节结构破坏
[1]。据估计,全球约有5.95亿人受到骨关节炎的影响。膝关节是最常受影响的部位,约有3.65亿人出现相关症状
[2, 3]。随着全球人口老龄化加剧和肥胖及伤害率的上升,膝关节骨关节炎(KOA)的患病率预计将进一步增加。KOA并非单纯的“磨损性”疾病,低度慢性炎症及免疫代谢紊乱在疾病进展中扮演关键角色,其中巨噬细胞介导的免疫调控机制尤为突出
[4, 5]。OA的各种炎症特征,如低度外周炎症和滑膜炎,对该疾病的病理生理学有重大影响,OA中的免疫变化可引发关节及全身性的低级别炎症,这些炎症反应的潜在机制可能因OA的不同表型(如代谢型、衰老相关型或创伤后型等)而存在差异,进而代表了具有潜在临床适用性的治疗靶点
[6]。OA关节腔内白细胞介素1β(IL-1β)、肿瘤坏死因子α(TNF-α)等促炎因子与抗炎因子的失衡,直接加速了软骨细胞外基质的降解
[7]。
外泌体(Exos)在细胞间通讯和免疫调控中发挥重要功能,其通过细胞间通讯对受体细胞进行调控,是细胞间重要的通讯载体
[8]。间充质干细胞(MSCs)来源的Exos可有效诱导巨噬细胞由促炎的M1型向抗炎修复型的M2型极化,从而抑制炎症反应并促进组织修复
[9]。髌下脂肪垫间充质干细胞(IFP-MSCs)可通过关节镜微创取材、且具有较强组织再生潜能的成体干细胞,其分泌的外泌体(IPFP-Exos)在OA及组织修复研究中显示出良好的免疫调节能力
[10]。研究表明,Exos可显著降低TNF-α、IL-1β等炎症因子的表达,提升IL-10、精氨酸酶1(ARG1)等抗炎因子水平,从而改善局部炎症微环境,其机制可能与Exos中富含的特定RNA相关(如lncRNA NR_028113.1、miR-590-5p、miR-21-5p及miR-146a等)
[11-14]。在急性OA大鼠模型中,关节内注射IPFP-Exos后,巨噬细胞M1/M2比例显著下降,极化向抗炎M2显著转变
[15]。Exos可以将封装的蛋白质和遗传信息传递给受体细胞,并充当细胞之间的信息信使
[16]。锚定在来自不同细胞来源的Exos上的表面分子各不相同,这赋予它们对特定受体细胞的选择性。表面工程旨在增加患病部位Exos的局部浓度,最大限度地提高治疗效果
[17]。
叶酸(FA)作为一种水溶性维生素B族成员,近年来也被发现具有显著的免疫调节功能。FA可通过抑制MAPKs和NF-κB通路,减轻LPS诱导的巨噬细胞炎症反应,抑制M1巨噬细胞极化
[18, 19],而其缺乏将导致单核细胞-巨噬细胞谱系中的促炎信号增强
[20]。研究表明,巨噬细胞对FA的摄取与其表型密切相关,M2型巨噬细胞普遍高表达叶酸受体β(FR-β),进一步增强了其对叶酸信号的响应能力
[21]。Jin等
[22]以FA为原料制作碳点,通过NF-κB/MAPK通路和巨噬细胞重编程保护软骨细胞,减轻骨关节炎。
既往研究表明,MSCs-Exos通过调控巨噬细胞极化可有效缓解KOA炎症反应,但存在对于炎症部位的靶向性不足、细胞摄取率较低等问题,显著影响了体内治疗的稳定性和有效性
[23-26]。本研究基于FR在巨噬细胞表面高表达的特性,创新性的利用FA对IPFP-Exos进行修饰,构建靶向递送系统,旨在提高Exos在细胞水平的摄取效率并增强其免疫调节功能。系统比较IPFP-Exos与FA-Exos对巨噬细胞M1/M2型极化的调控效果差异,多维度评估FA-Exos在改善KOA炎症微环境中的独特优势,为开发新型KOA靶向治疗策略提供实验依据。
1 资料和方法
1.1 实验材料
RAW264.7巨噬细胞;PBS(武汉赛维尔生物科技有限公司);MEM-α培养基、DMEM培养基、胎牛血清、0.25%胰蛋白酶(Gibco);脂多糖(LPS,Sigma);叶酸(MCE);PKH67荧光染料、Phalloidin、DAPI(上海碧云天生物技术有限公司);TRIzol(Thermo);逆转录试剂盒(TaKaRa);SYBR Green(上海翌圣生物科技股份有限公司);IL-1β、IL-6、TNF-α ELISA试剂盒(泉州市睿信生物科技有限公司);CD206、iNOS兔单克隆抗体(Abcam);CD9、CD81兔单克隆抗体(武汉三鹰生物技术有限公司);超速离心机(Thermo);倒置显微镜(Leica);透射电子显微镜(TEM);纳米颗粒跟踪分析仪(BeNano 90 Zeta);荧光定量PCR仪;Western blot电泳及转膜系统;化学发光成像系统;酶标仪;流式细胞仪;激光共聚焦显微镜(Leica)。
1.2 研究对象和方法
1.2.1 髌下脂肪垫(IPFP)的来源
有8例患者均来自内蒙古自治区人民医院骨科中心(运动医学中心),纳入标准:年龄在20~50岁;非骨性关节炎患者;无传染病病史;行关节镜手术;了解本次研究内容并签署知情同意书。排除标准:伴有系统性炎症性关节疾病;恶性肿瘤患者;伴有糖尿病、严重代谢性疾病;髌下脂肪垫组织量不足或严重纤维化、钙化患者。本研究方案经内蒙古自治区人民医院伦理委员会审核通过(伦理批号:SC-07/01KT2024008)。
1.2.2 髌下脂肪垫间充质干细胞(IPFP-MSCs)的提取
用0.1%的I型胶原酶于37 ℃下消化1 h,将消化后的悬浮液通过70 μm细胞过滤器,300 g离心10 min后,用含10%胎牛血清的MEM-α培养基重悬,并接种于10 cm皿中,置于37 ℃、5%CO2细胞培养箱中培养,每2~3 d更换培养基。
1.2.3 IPFP-Exos的提取
采用超速离心法提取Exos,首先在4 ℃条件下以300×g离心10 min去除细胞及细胞碎片,保留上清液;随后将上清液以2000×g离心10 min去除死细胞及细胞碎片,再次保留上清;接着以10 000×g离心30 min进一步去除细胞碎片,取上清液通过0.22 μm滤膜过滤;之后将滤液以100 000×g离心70 min获得含有杂蛋白的粗制Exos;最后弃去上清,用PBS重悬沉淀并以100 000×g再次离心70 min,即可得到纯度较高的Exos。整个操作过程均在无菌条件下进行,最终获得的Exos用100 μL PBS重悬后于-80 ℃冻存备用。对于FA-Exos,加入30 μmol/L FA处理IPFP-MSCs 48 h后,收集细胞上清,采用同上超速离心法提取FA-Exos。
1.2.4 IPFP-Exos的透射电子显微镜(TEM)观察
吸取10 μL稀释后的Exos样品,滴加在铜网上,使其沉淀3 min,然后用滤纸吸去浮液。在室温下使其干燥2 min,然后使用TEM(Hitachi-HT7700)进行成像,其操作电压为80~120 kv。
1.2.5 IPFP-Exos的纳米颗粒跟踪分析(NTA)
将1 mL用PBS稀释后的Exos样品缓慢注入纳米粒度及Zeta电位分析仪(BeNano 90 Zeta)的样品池中。在标准操作程序中选择需要的测量方式,调整各项参数进行粒径的观测、跟踪和计算。
1.2.6 IPFP-Exos的细胞内示踪
将RAW246.7接种在共聚焦皿中,加入PKH67标记的Exos培养12 h,去除培养基,PBS清洗2次,加入鬼笔环肽(phalloidin)试剂染色30 min,PBS清洗2次,4%多聚甲醛常温固定15 min,PBS清洗2次,滴入DAPI试剂染色10 min,PBS清洗2次,最后用共聚焦显微镜观察。
1.2.7 IPFP-Exos的BCA蛋白浓度检测
按照试剂盒说明书配制蛋白标准品(0.5 mg/mL BSA),依次稀释成0、0.025、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/mL系列浓度标准溶液。取1、2、4 μL待测样品加入96孔板中,用PBS缓冲液补足至20 μL/孔,每孔加入200 μL BCA工作液(试剂A∶试剂B=50∶1现配现用)。将96孔板置于37 ℃恒温箱中避光孵育30 min后,立即使用酶标仪测定550 nm波长处各孔的吸光度值。以标准品浓度为横坐标,吸光度值为纵坐标绘制标准曲线(R²>0.99),通过线性回归方程计算待测样品中Exos蛋白的浓度。
1.2.8 IPFP-Exos的Western blot检测
将Exos与裂解液按照1∶1比例混合后,在冰上裂解10 min,然后将样品置于离心机中,4 ℃、12 000×g离心5 min,取上清液,在其中加入1/4体积的蛋白上样缓冲液,将混合液在95 ℃的金属浴加热5 min,随后在室温下冷却。将20 μg蛋白质上样到SDS-PAGE凝胶的每个孔中,并使用Tris-甘氨酸作为电泳缓冲液。在140V电泳1 h后,将蛋白质转移到PVDF膜上并用5% BSA溶液封闭。随后,将膜与相应的一抗(1∶500稀释)和二抗(1∶5000稀释)一起孵育,并使用OdysseyV3.0图像扫描仪(Li-COR.Inc)对蛋白质条带进行成像。
1.2.9 qRT-PCR检测Exos及FA-exos对RAW264.7巨噬细胞极化的影响
将RAW264.7细胞以5×10⁵/孔密度接种于6孔板,设4组(对照组、LPS组、LPS+Exos组、LPS+FA-Exos组),每组3复孔。常规高糖培养基(含5% FBS)培养24 h后,分别更换为含100 ng/mL LPS及其与100 μg/mL Exos或100 μg/mL FA-Exos组合的培养基,继续培养12 h。采用Trizol法提取细胞RNA,测定纯度(
A260/280>1.8)后反转录为cDNA。qPCR反应条件:95 ℃预变性2 min;40个循环(95 ℃ 15 s,60 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s)。以GAPDH为内参,2
-ΔΔCt法计算基因相对表达量。实验独立重复3次,引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成(
表1)
。1.2.10 ELISA实验检测Exos及FA-Exos对RAW264.7巨噬细胞极化的影响
分组与干预方法同1.2.7。将试剂盒提供的标准品原液用标准品稀释液进行梯度稀释,制备0、20、40、80、160、320、640 pg/mL系列浓度标准品;在预包被抗体的96孔酶标板中设置空白孔(加入50 μL标准品稀释液)、标准孔(加入50 μL各浓度标准品)和待测样品孔(加入40 μL样品稀释液及10 μL待测样本,实现1∶5稀释),封板后37 ℃孵育30 min;孵育结束后弃去反应液,每孔加入300 μL 1×洗涤液(浓缩洗涤液用去离子水按1∶30稀释),静置30 s后弃去,重复洗涤5次并在吸水纸上拍干;除空白孔外,每孔加入50 μL HRP标记的检测抗体,37 ℃孵育30 min后重复上述洗涤步骤;最后每孔加入50 μL终止液终止反应,立即用酶标仪在450 nm波长处测定各孔吸光度值,代入标准曲线计算结果。
1.2.11 流式细胞术检测Exos及FA-exos对RAW264.7巨噬细胞极化的影响
分组与干预方法同1.2.7。收集处理后的RAW264.7巨噬细胞,首先进行Fc受体阻断,每份样品加入200 μL PBS和1 μL Fc阻断抗体,4 ℃避光孵育15 min;随后进行CD86表面标记,每份样品加入100 μL PBS和0.5 μL CD86抗体,4 ℃避光孵育30 min;接着进行细胞固定和破膜处理,加入250 μL固定液4 ℃固定40 min后,用破膜液洗涤(350 g,4 ℃离心6 min);然后进行CD206胞内染色,每份样品加入100 μL PBS和0.5 μL CD206抗体,4 ℃避光孵育40 min;染色完成后用2 mL 1×Perm/Wash缓冲液洗涤(350 g,4 ℃离心6 min),最后用300 μL PBS重悬细胞并转移至流式管中,上机检测。
1.2.12 免疫荧光染色检测RAW264.7巨噬细胞iNOS与CD206的蛋白表达
细胞固定后用0.1% TritonX-100通透10 min,用5% BSA封闭1 h,然后与一抗(1∶200稀释)在4 ℃下孵育过夜。第2天,清洗3次后,将切片与山羊抗兔IgG H&L(AlexaFluor®555,Abcam; AlexaFluor®488,Abcam)二抗(1∶1000稀释)孵育1 h后,PBS清洗3次,加入DAPI染色10 min后,PBS清洗3次,共聚焦显微镜下进行观察拍摄。
1.3 统计学分析
采用GraphPad Prism 10.0软件进行统计分析。实验数据以均数±标准差表示。两组间比较采用双侧Student's t检验,多组间比较采用单因素或双因素方差分析。P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 IPFP-MSCs的鉴定
用流式细胞仪对所提取出的IPFP-MSCs(P3)进行干细胞表面标志物的鉴定,结果显示所提取的细胞CD90、CD105和CD73表达阳性,而CD11b、HLA-DR、CD34、CD45及CD19表达阴性。证实所提取的细胞为间充质干细胞而非造血干细胞(
图1A~H)。IPFP-MSCs在光学显微镜下呈典型的长梭状形态(
图1I)
2.2 IPFP-Exos的鉴定
采用TEM、NTA及 Western blotting对纯化的 IPFP-Exos 进行鉴定。TEM结果显示,IPFP-Exos呈典型杯状形态(
图2A),符合Exos的超微结构特征。NTA分析表明,囊泡平均粒径(
图2B)处于Exos的特征性粒径范围(30~150 nm),提示分布均一。Western blotting检测显示,IPFP-Exos高表达Exos标志蛋白CD9及CD81(
图3C)。本研究成功从IPFPs上清液中分离出IPFP-Exos。
2.3 RAW264.7巨噬细胞摄取IPFP-Exos
共聚焦显微镜下观察,PKH67标记的Exos可以被Phalloidin标记的RAW264.7巨噬细胞内吞,主要位于细胞胞质内,分布在DAPI标记的蓝色核周围,结果显示IPFP-Exos可被巨噬细胞有效摄取(
图3D)。
2.4 qRT-PCR检测RAW264.7巨噬细胞极化的效果
与对照组相比,LPS刺激显著上调促炎因子IL-1β、IL-6、TNF-α和NOS2的mRNA表达水平(P<0.0001);而LPS+Exos组这些因子的表达量较LPS组显著降低(P<0.0001),其中LPS+FA-Exos组的表达水平进一步下降,接近对照组水平(图A~D)。同时,LPS刺激虽使抗炎标志物ARG1和MRC1的mRNA表达呈现下降趋势,但差异无统计学意义(P>0.05);与LPS组相比,LPS+Exos组ARG1和MRC1的表达显著升高(P<0.0001;P=0.0015),且LPS+FA-Exos组的表达水平较LPS+Exos组进一步提高(P<0.0001,图E、F)。
2.5 ELISA检测细胞上清相关炎症因子的表达
与对照组相比,LPS显著促进了RAW264.7细胞上清中IL-1β、IL-6和TNF-α的分泌(
P<0.0001,
图4A~C)。在LPS刺激下,给予Exos处理可明显下调上述炎症因子的水平(
P<0.0001),而给予FA-Exos处理后,炎症因子水平进一步显著下降。其中,LPS+FA-Exos组的IL-1β、IL-6和TNF-α水平均显著低于LPS+Exos组(
P<0.0001),接近正常对照组水平。
2.6 流式细胞术检测RAW264.7巨噬细胞极化的效果
检测CD86和CD206的表达,以评估不同处理对RAW264.7巨噬细胞极化的影响。结果显示,LPS显著提高了CD86阳性细胞的比例,提示M1型巨噬细胞比例升高(P<0.0001,图A、B),同时CD206阳性细胞比例显著下降(P=0.0388,图A、C),CD206/CD86比值也显著降低(P<0.0001,图D)。与LPS组相比,LPS+Exos处理组的CD86阳性细胞比例显著下降,CD206阳性细胞比例显著升高(P<0.0001),CD206/CD86比值也相应提高(P=0.0002,图B~D)。而在LPS+FA-Exos组中,CD86阳性细胞比例进一步下降,CD206阳性细胞比例和CD206/CD86比值进一步显著升高。
2.7 免疫荧光检测RAW264.7巨噬细胞iNOS与CD206蛋白表达
LPS组iNOS阳性细胞比例显著高于对照组,而Exos和FA-Exos均可明显降低LPS引起的iNOS的高表达(P<0.0001),且LPS+FA-Exos组iNOS阳性细胞比例较LPS+Exos组进一步降低(P=0.0478,图A、B)。同时,CD206的荧光强度在LPS组较对照组降低,但差异无统计学意义(P=0.4326>0.05),LPS+Exos组和LPS+FA-Exos组CD206表达水平明显增强(P=0.0050;P=0.0003),且LPS+FA-Exos组CD206荧光强度高于LPS+Exos组呈现升高的趋势,但差异无统计学意义(P=0.0950>0.05,图C、D)。
3 讨论
KOA的病理过程中,炎症反应始终贯穿疾病的始终,低度慢性炎症状态被认为是疾病进展的核心驱动因素,巨噬细胞极化失衡是导致关节炎症微环境恶化的关键环节
[27, 28]。根据活化状态的不同,巨噬细胞可分为促炎型的M1型和抗炎型的M2型。M1型巨噬细胞通过分泌IL-1β、TNF-α、IL-6等促炎因子激活NF-κB信号通路,促进基质金属蛋白酶和蛋白聚糖酶的表达,加速软骨细胞外基质降解
[29]。相反,M2型巨噬细胞则通过分泌IL-10、TGF-β等抗炎因子,上调组织抑制剂金属蛋白酶的表达,发挥抗炎和组织修复作用
[30]。在KOA患者滑膜组织中,M1/M2型巨噬细胞比例显著失衡,这种极化状态直接影响关节组织的破坏与修复平衡
[31, 32]。
IPFP作为关节腔内特殊的脂肪组织,其来源的IPFP-MSCs具有独特的免疫调节特性,较其他来源的MSCs表现出更强的软骨保护作用和抗炎能力
[33]。其机制可能与IPFP特殊的解剖位置和微环境有关,使IPFP-MSCs能够适应关节腔的低氧和机械应力环境
[34]。Exos作为细胞间信息传递的新型介质,在炎症性疾病调控中显示出重要作用。IPFP-Exos富含miR-100-5p等功能性miRNA,可通过调控mTOR、PI3K/AKT等信号通路缓解KOA
[35, 36],但天然Exos存在靶向性差等局限性
[37]。
尽管已有多种Exos靶向化策略被报道,包括通过基因工程使供体细胞表达融合蛋白,以及通过膜化学修饰(如配体偶联、click化学、脂质插入等)引入靶向配体,这些方法在OA中显示出一定的靶向效果与治疗潜力,但仍存在操作复杂、表达水平难以控制、可能破坏Exos天然膜结构以及潜在免疫原性增强等问题
[38-40]。现有 FA 修饰一般用于肿瘤细胞或肿瘤微环境,在一项肿瘤微环境调控中研究中,Feng等
[41]将表达透明质酸酶的Exos与FA自组装,能够降解高分子透明质酸,改善肿瘤基质的渗透性,并调节免疫微环境,增强化疗药物的肿瘤穿透与抑制肿瘤细胞转移。
本研究利用FA修饰IPFP-Exos针对KOA炎症微环境。一方面,FR在炎症状态下,尤其是在M2型巨噬细胞和滑膜炎症组织中呈高表达,为靶向提供了天然的受体基础;我们采用pre-isolation策略,即通过在供体细胞培养过程中加入FA,使分泌出的Exos天然带有FA修饰。这种方式避免了复杂的基因工程操作,降低了潜在安全风险,同时在保持Exos膜完整性的前提下增强了其靶向性。实验结果进一步证实,FA-Exos能够更有效地被巨噬细胞摄取,促进其向M2型极化(表现为CD206阳性细胞比例显著增加),并显著抑制M1型标志物iNOS的表达。ELISA结果显示,FA-Exos处理组IL-1β、IL-6和TNF-α的水平明显低于未修饰Exos组;流式细胞术亦提示FA-Exos组CD206/CD86比值显著升高。这些结果表明,FA-Exos通过优化巨噬细胞极化状态,有效改善了KOA的炎症微环境。综上,FA-Exos在靶向性、免疫调控效能以及工艺可重复性和临床转化潜力方面均优于传统的工程化修饰策略,为KOA的Exos治疗提供了一种更具可行性的新思路。
本研究首次系统评估了FA-Exos对KOA炎症微环境的改善作用,为开发基于Exos的靶向治疗策略提供了实验依据。FA-Exos促进M2型极化同时抑制M1型极化的双重调控作用,使其成为潜在的KOA治疗新选择。人体内微环境的复杂性将会对Exos的实际疗效产生影响,我们将在未来研究进一步探索FA-Exos在动物模型中的治疗效果,并与其他治疗手段联合应用,为KOA炎症微环境靶向治疗的开发奠定基础。