间充质干细胞、免疫细胞、外泌体源头供货

Osman Kose | 外泌体在皮肤老化等疾病中的作用

本文作者Osman Kose医学博士,原文于2022年8月10日首次发表在国际科技期刊Journal of Cosmetic Dermatology上,原文标题为Role of exosomes in skin diseases(外泌体在皮肤病中的作用)。

外泌体在研究性皮肤病学中越来越受到关注

外泌体作为细胞外囊泡的家族成员,是细胞分泌的纳米级结构,在调节皮肤的生理和病理生理过程中起关键作用。外泌体诱导细胞之间的通讯,并负责运输细胞成分,如 microRNA、mRNA、DNA、脂质、代谢物和细胞表面蛋白。许多临床前和临床试验都在探索外泌体对皮肤功能和疾病的贡献。因此,外泌体在研究性皮肤病学中越来越受到关注。干细胞衍生的外泌体被整合到功能性美容行业,被提名为无细胞再生医学。

克服皮肤的障碍:外泌体疗法

由于外泌体通过体液循环,它们不仅可以将信息传递给本地细胞,还可以传递给远程细胞。因此,外泌体被认为是各种治疗的潜在生物标志物。最近,研究表明外泌体对老化、特应性皮炎和伤口等皮肤缺陷有疗效。此外,正在研究将外泌体用作商业化皮肤治疗产品的成分。

最近的研究表明,间充质干细胞(MSCs )的治疗功效主要通过释放生物分子发挥作用。这些生物活性因子由细胞以被称为细胞外囊泡 (EV) 的微米到纳米级颗粒的形式分泌。EV包含脂质、蛋白质和核酸形式的信号,这些信号可以在参与调节生理和病理活动的细胞之间交换。

根据颗粒的大小,EV 可分为外泌体(40 到 100 nm)、微泡(150 到 1000 nm)和凋亡小体(> 1000 nm)。此外,释放机制不同,其中微泡直接从细胞膜释放,而外泌体通过多泡体(MVB)和质膜的融合释放。在这篇综述中,我们将重点关注 EV 中的较小颗粒,即外泌体。

外泌体的历史

外泌体的第一次观察早在 1960 年代,当时人们知之甚少 。在 1980 年代后期获得了更多关于外泌体的发现。在对绵羊网织红细胞成熟的研究中,揭示了外泌体形成的机制。研究表明,小囊泡在内体内部形成,然后在胞吐过程中释放到细胞外环境中。多年后,一项研究提出,外泌体是包含 mRNA 和 microRNA (miRNA) 的小型穿梭机,可实现远程遗传通信。从那时起,外泌体在各种治疗领域揭开了新的范式。

Osman Kose | 外泌体在皮肤老化等疾病中的作用

外泌体生物发生的示意图

用于治疗应用的外泌体

对于外泌体在治疗应用中的使用,高提取效率和高质量外泌体的大规模生产至关重要。为了实现这一点,上游(细胞培养)和下游(分离)制造过程非常重要。

外泌体的大规模生产很大程度上依赖于细胞培养技术。当前的放大制造系统基于二维细胞培养方法,包括多层烧瓶工艺。各种研究表明,与基于 2D 的培养相比,基于 3D 的细胞培养导致颗粒数量增加并提高了质量。基于 3D 的细胞培养方法的一些示例包括使用 3D 支架、生物反应器和球体。

皮肤治疗和再生

皮肤组织

皮肤是人体最大的器官,充当外部和内部环境之间的保护屏障。这种感觉器官还负责调节体温和释放到环境中的水分。皮肤厚度取决于身体区域,例如眼睛下方、手掌、上背部等。从解剖学的角度来看,人体皮肤具有由三层组成的复杂结构:表皮、真皮和皮下组织。

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显示三层的人体皮肤解剖学:表皮、真皮和皮下组织

皮肤治疗的必要性

随着生活的进步,皮肤的物理变化是证明机体衰老的第一个观察结果。自古以来,人们一直致力于通过抗衰老治疗来改善皮肤质量。

在当今,皮肤是社会生活中的重要组成部分,可以增强自尊和自我一致性。因此,美容行业引入了各种抗衰老治疗方法。

皮肤老化是由外在因素(环境因素:紫外线照射、空气污染、吸烟和营养缺乏)和内在因素(细胞和激素变化)决定的,这些因素会导致功能丧失和再生潜力。

尤其是,内在的皮肤老化是一个时间依赖和不可避免的过程。损害皮肤的因素之一是活性氧 (ROS) 的形成,它加速了皮肤的老化过程。结果,由于角质形成细胞萎缩,表皮层变薄。这会导致水分流失,增加皮肤的干燥和粗糙度。

另一个因素是加速端粒磨损,缩短端粒,导致皮肤老化。端粒是保护染色体末端的蛋白质-DNA结构,避免末端DNA序列的丢失。随着端粒随着时间的推移而缩短,细胞变得衰老。

细胞衰老引起皮肤不同层的变化,加剧皮肤老化。然而,防止端粒缩短可能会产生严重的后果,例如癌症的形成。此外,包括胶原蛋白和弹性蛋白在内的细胞外基质 (ECM) 成分由于基质金属蛋白酶 (MMP) 表达增加而减少,从而导致结构完整性丧失(拉伸强度和弹性降低)。相应地,真皮和表皮之间的连接减少导致皮肤变薄。因此,在老化的皮肤中观察到皱纹的形成。所有这些因素都会逐渐改变皮肤的细胞内环境,导致皮肤形态发生变化。

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老化前后的皮肤结构

目前的皮肤疗法

通常,上述皮肤缺陷(老化、炎症和伤口愈合等)的治疗基于使用化学、生物和物理试剂的局部或侵入性策略。表 3 显示了用于皮肤治疗目的的各种策略。

当前的抗衰老策略可分为非侵入性和侵入性程序。非侵入性皮肤治疗以化妆品、化学换肤和光疗的形式出现。为了增强对 ROS 引发的氧化应激的保护,抗氧化剂和细胞调节剂(包括生长因子和肽)被用作成分。

例如,被称为维生素 A 的视黄醇已以局部血清、乳霜、油等形式广泛用于化妆品中,因为它们对皮肤治疗具有有益作用,例如抗衰老作用脂溶性视黄醇通过角质层渗透皮肤并到达皮肤真皮层。一旦它渗透到皮肤中,视黄醇负责加强表皮层并抑制参与胶原蛋白降解的金属蛋白酶的活性 。

广泛使用的物理疗法之一是能够产生胶原蛋白和弹性蛋白、真皮重塑以及减少色素和红斑的激光治疗。在侵入性治疗中,微针在皮肤治疗中引起了人们的关注,它允许药物分子穿透皮肤。微针创造了微型通道,可跳过皮肤屏障将药物直接输送到皮肤中。微针疗法中使用的一些化妆品成分是肽、生长因子和酸。其他侵入性程序包括注射剂和提线。与非侵入性产品相比,侵入性程序提供更有效和快速的抗衰老效果,通常持续时间很短。

到目前为止,还没有完全治愈特应性皮炎的方法。目前的非处方产品为皮肤增加水分或减少瘙痒症状。另一方面,大多数处方产品包括类固醇或钙调神经磷酸酶抑制剂以提供抗炎作用。同样,使用这些产品也无法完全治愈特应性皮炎。

对于理想的伤口愈合,产品应提供适当的氧气渗透性,防止污染物和水分流失,并模仿皮肤结构。特别是,对于慢性伤口管理,需要皮肤替代物。然而,目前可用的皮肤替代品存在一些局限性,如疤痕形成、昂贵的工艺、免疫排斥、结构不足等。

尽管目前的皮肤治疗已经显示出一些药妆效果,但大多数可用的皮肤治疗产品都缺乏完全治愈皮肤的能力。

皮肤治疗的未来成分:外泌体

近年来,外泌体对各种皮肤缺陷的影响得到了广泛的研究。外泌体的主要优点是高稳定性、非免疫排斥和对靶细胞的直接刺激 。特别是,外泌体中包含的 miRNA 通过与 3'-非翻译区结合来参与各种细胞反应的调节。因此,单一成分(外泌体)可以产生多种治疗效果。

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显示外泌体皮肤再生能力的示意图

外泌体的再生能力

血管生成能力

随着皮肤老化,会发生各种变化,例如 I 型胶原蛋白含量减少、毛细血管网络紊乱、弹性纤维变性等 。这些退行性变化可能导致皮肤组织中的血管结构减少。适当的血管化是健康皮肤的重要组成部分,它为皮肤细胞提供营养供应以维持其活动。

因此,可以通过增加血管数量来解决老化皮肤的一种解决方案。此外,血管化在伤口愈合中起着重要作用。各种研究显示了外泌体的血管生成特性。在一项研究中,在人脐静脉内皮细胞 (HUVEC) 上检测了人脂肪来源的 MSC 分泌的外泌体对血管生成的影响。

该研究证明了 microRNA (miR-125a) 在外泌体中在血管生成中的潜在作用。miR-125a 的过表达通过靶向 DLL4(Notch 信号通路的配体)增强了 HUVEC 中的血管生成。在另一项研究中,比较了从年轻和老年志愿者身上分离的真皮内皮细胞 。结果,在两组中检测到的 miR-100、miR-126 和 miR-223 在老年志愿者组中均显着下调。在这些 microRNA 中,已知 miR-126 参与保护血管和新血管形成。此外,在从人微血管内皮细胞系 (HMEC-1) 提取的外泌体中发现的 miR-214 显示出血管生成潜力。衰老细胞可以从相邻细胞分泌的外泌体中吸收 miR-214 以退出衰老状态。此外,外泌体 miR-214 可以调节血管的形成。

胶原蛋白合成

如前所述,真皮层由于老化皮肤中的 I 型胶原蛋白和弹性纤维的碎裂而受损。因此,重建真皮结构可能会导致皮肤抗衰老和伤口愈合。已知 MiR-21 可促进皮肤伤口愈合中的角质形成细胞迁移和上皮再形成。

另一项研究表明,miR-21 增强了伤口收缩和胶原蛋白沉积。例如,针对抗衰老目的评估了源自人类皮肤成纤维细胞球体的外泌体。在这项研究中,外泌体在 UVB 照射的裸鼠上进行了测试。外泌体处理组显示出增强的胶原合成和减少的 MMP-1 产生。

具体而言,调节 MMP 抑制的 TIMP-1 和 TGF-β 上调,而 miR-196a 下调导致胶原合成增加。此外,在外泌体处理后,由于 UVB 照射而产生的深而宽的皱纹变得更浅更薄。

研究证实源自人脐带间充质干细胞 (UCB-MSCs) 的外泌体对皮肤年轻化的影响 。在外泌体中检测到的各种生长因子中,EGF 的浓度更高。当人类真皮成纤维细胞 (HDF) 暴露于外泌体时,胶原蛋白和弹性蛋白的产生增加。因此,UCB-MSCs 衍生的外泌体可用于重建真皮层。

炎症的调节

特应性皮炎是一种由皮肤屏障缺陷引起的炎症性皮肤病。外泌体可用作治疗 特应性皮炎的治疗成分。研究发现脂肪组织来源的间充质干细胞 (ASC) 来源的外泌体对特应性皮炎治疗的影响。

ASC-外泌体在小鼠 AD 模型中下调炎性细胞因子如 IL-4、IL-23、IL-31 和 TNF-α 的表达。因此,在小鼠模型中以剂量依赖性方式观察到特应性皮炎症状减轻。

另一项研究表明,MSC 衍生的外泌体具有平衡 Th1 和 Th2 并抑制局部炎症反应的能力,可以缓解特应性皮炎症状。由于免疫平衡是特应性皮炎的关键因素。研究发现在银屑病患者中高表达的 miR-210 的作用。他们在研究中报告说,miR-210 诱导 Th17 和 Th1 细胞分化,同时抑制 STAT6 和 LYN 基因表达,从而抑制 Th2 分化。这表明有助于银屑病的免疫平衡。

使用外泌体进行皮肤再生的各种应用

已经报道了各种研究外泌体对皮肤组织再生的功效。例如。在基于藻酸盐的水凝胶 (Alg-EXO) 中从 ASC 中提取的加载外泌体用于皮肤治疗目的。使用大鼠伤口模型观察外泌体的可行性。将 alg-EXO 组与未处理的对照组和仅藻酸盐组进行比较。体内结果表明,alg-EXO 组在 15 天后与其他组相比显着改善了伤口闭合。外泌体似乎诱导胶原沉积和血管形成,从而增强伤口愈合过程。

在另一项研究中,开发了一种由 Pluronic F127、氧化性透明质酸 (OHA) 和聚-ε-L-赖氨酸 (EPL) 组成的可注射自愈水凝胶 (FHE),具有 ASC 衍生的外泌体释放能力。释放的外泌体减少了糖尿病小鼠伤口模型中伤口的愈合时间。这是可能的,因为伤口部位的细胞增殖增强、肉芽组织形成更快、上皮再形成和胶原蛋白重塑。因此,随着伤口愈合的改善,观察到较少的疤痕组织。

此外,研究证明制备了一种壳聚糖/丝支架,负载了牙龈 MSCs 衍生的外泌体,用于皮肤再生。尽管支架单独在糖尿病大鼠皮肤模型中显示出良好的伤口愈合效果,但含有外泌体的支架显示出显着更强的愈合能力。结果表明,外泌体增强了缺损部位的上皮再形成和 ECM 沉积/重塑。

此外,研究人员开发了一种基于明胶甲基丙烯酰 (GelMA) 水凝胶的伤口敷料,由 HUVEC 衍生的外泌体组成,并将其应用于伤口缺损大鼠模型。结果表明,外泌体通过增强上皮再形成、胶原沉积和血管生成显着加速了伤口愈合。

未来展望

外泌体成为再生医学领域 MSCs 的有益替代品。这些潜在的纳米载体表现出用于皮肤治疗的各种治疗特性。对外泌体的好奇心一直是进步和发展的驱动力。从那时起,已经发表了数千项研究,并且正在研究外泌体以实现商业化。这篇综述讨论了外泌体作为皮肤治疗的潜在候选者。外泌体具有多种有益于皮肤组织再生的能力:(1)血管生成能力,(2)胶原蛋白合成,和(3)炎症调节。使用外泌体作为成分,可以克服目前皮肤治疗的局限性。此外,这些引人入胜的生物材料可以整合到癌症治疗和疫苗等各个领域。希望外泌体在不久的将来为治疗各种疾病和癌症提供一个新平台。

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