外泌体疗法的新机制及在皮肤医学美容领域的应用

间充质干细胞、免疫细胞、外泌体源头供货

暴露于外部环境可能导致皮肤不稳定和功能障碍,导致难治性伤口、皮肤老化、色素性皮肤病、脱发、一些免疫介导的皮肤病和结缔组织病。如今,许多皮肤治疗未能在医疗康复和美容需求之间取得令人称道的平衡。

外泌体是细胞衍生的纳米级囊泡,携带各种生物分子,包括蛋白质、核酸和脂质,具有与相邻或远处细胞通信的能力。

皮肤是人体最大的物理、化学和免疫屏障有机体,由表皮、真皮和皮下组织组成。外部最外层是 10-20 µm 厚的角质层,包含 10-15 层相互交叉的死细胞。第二层称为活表皮,厚度为 100-150 µm,主要由处于不同分化阶段的角质形成细胞组成。

除了角质形成细胞外,表皮中还发现了黑素细胞、朗格汉斯细胞和其他几种类型的细胞。

第三层是富含细胞外基质 (ECM) 蛋白和生长因子的真皮,归因于各种真皮成纤维细胞谱系的存在。

最后一层皮下组织或皮下层被脂肪细胞、间充质干细胞 (MSC) 和结缔组织包围。

皮肤层内的重要细胞类型,包括角质形成细胞、成纤维细胞、巨噬细胞、脂肪细胞,具有在皮肤环境中相互交流的能力,并且可以在内部和外部刺激后触发复杂的反应(图 1A )。

外泌体疗法的新机制及在皮肤医学美容领域的应用

图 1。皮肤结构和外泌体分子组成的图示。(A) 皮肤从外到内分为三层:表皮、真皮和皮下组织。表皮由形成复层角质的角质形成细胞组成,黑素细胞和朗格汉斯细胞散布在表皮中。表皮的外层是由角质化死细胞组成的皮肤角质层,具有耐磨性。真皮层充满成纤维细胞,有助于形成丰富的纤维细胞外基质成分,包括弹性蛋白、原纤维蛋白、胶原蛋白以及血管和神经末梢。最后的皮下组织由脂肪细胞和结缔组织组成。(B) 作为具有脂质双层结构的膜衍生纳米囊泡,外泌体包装了多种细胞成分,包括核酸(DNA、mRNA、miRNA、circRNA、lncRNA)、生物合成相关蛋白(ALIX、TSG101)、热休克蛋白( HSP70、HSP90)、酶(GAPDH、ATPase 、Pgk1)、脂质、粘附分子、受体和参与抗原呈递的各种组织特异性蛋白,如跨膜蛋白(CD9、CD63、CD81、CD82)和 MHC-I 和 MHC- II(主要组织相容性复合体)。

皮肤病被认为是近年来流行率不断上升的威胁医学问题。基因构成、生活方式、营养、太阳辐射和阳光敏感性、接触重金属和大气颗粒物以及其他环境影响可能导致皮肤细胞毒性、皮肤屏障受损、基质蛋白和炎症反应激活。

皮肤成分、生理功能和正常结构损伤的丧失,可能导致皮肤异常,包括皮肤老化、色素性皮肤病、一些免疫介导的皮肤病、结缔组织病和受伤后皮肤愈合不良。

改善皮肤状况和治疗皮肤病的方法有很多,如护肤、激光、药物、手术和细胞疗法等。尽管如此,这些方法均未达到理想的皮肤修复和再生效果,并存在各自的不足。因此,明确发病机制,建立有效途径,对加速皮肤再生,恢复受损皮肤功能具有重要意义。

外泌体是细胞衍生的纳米级囊泡,直径为 30–150 nm。外泌体是具有双层膜的结构,携带重要的基因信息,例如蛋白质、碳水化合物、脂质和核酸。

富含外泌体的蛋白质包括膜转运蛋白(GTP 酶和膜联蛋白)、四跨膜蛋白(CD63、CD81、CD82 和 CD9)、生物发生相关蛋白(ESCRT 复合物、ALIX 和 TSG101)和热休克蛋白(HSP60、70 和90), 它们通常被认为是外泌体的特征性生物标志物。

外泌体具有作为细胞间递质影响邻近细胞的能力,同时保留其母细胞的一些生物学特性。

外泌体可以调节基本的细胞过程,例如增殖、分化、迁移和细胞死亡,这取决于外泌体的来源、生理和病理状态,甚至精确的细胞释放位点。

新出现的证据证实外泌体参与各种疾病进展,显示外泌体和外泌体货物作为诊断和治疗生物标志物的潜力(图 1 B)。

在皮肤中,外泌体介导的信息传递和细胞间通讯是维持细胞功能和组织稳态所必需的。

研究表明,穿梭于多种皮肤细胞的内源性外泌体,参与了慢性炎症性皮肤病的复杂分子机制。

因此,外泌体内容物可以成为诊断和治疗皮肤功能障碍和疾病的潜在生物标志物。

更重要的是,来自干细胞和其他细胞类型的外泌体可以成为再生医学和美学的治疗选择,特别是在疤痕预防和减少、色素沉着调节和毛发生长方面。

例如,黑色素细胞分泌的外泌体可以调节皮肤色素沉着,而来自皮肤中其他细胞类型的外泌体也可以影响黑色素细胞中黑色素的产生。

源自间充质干细胞( MSC) 的外泌体在皮肤致敏试验中也被归类为潜在的非致敏剂,可安全用作局部治疗,无不良反应。这些证明了外泌体作为治疗剂、医疗美容成分或其他生物学用途的优良潜力。

皮肤医学美学中的外泌体

随着社会的发展和人类审美的改变,疤痕、面部老化、色斑、脱发等皮肤问题越来越受到人们的关注。

医学美容干预有利于改变个人印象,改善情绪和自尊。外泌体为促进皮肤美容中的皮肤再生和修复提供了多方面的策略(图 2)。

外泌体疗法的新机制及在皮肤医学美容领域的应用

图 2 | 外泌体在皮肤医学美学中的作用机制。(A) 来自脐带来源的 MSCs 的外泌体富含 miR-21、miR-23a、miR-125b 和 miR-145,靶向 TGF-β2/SMAD2 通路以抑制成纤维细胞向肌成纤维细胞的分化,从而减少过度纤维化和疤痕形成。(B) 外泌体可以改善角质形成细胞和成纤维细胞的功能,增强胶原蛋白和弹性蛋白合成,增加真皮脂肪,从而促进皮肤抗衰老的再生修复能力。(C) 暴露于 UVB 后,角质形成细胞衍生的外泌体通过 miR-3196 和 MITF 依赖性信号通路或 miR-203 和 MITF 独立信号通路调节其 miRNA 含量以增加黑素细胞色素沉着。在角质形成细胞衍生的外泌体中过表达 miR-330-5p 会降低黑色素细胞中黑色素的产生和TYR 的表达。来自角质形成细胞外泌体的 miR-675 通过抑制 MITF 表达参与 H19 lncRNA 下调刺激黑素生成。(D) 真皮乳头细胞来源的外泌体促进 DPC、ORSC 和 HFSC 的活力,增加 IGF-1、 KGF、HGF、β-catenin 和Shh的表达, 并且还加速了 HF 毛发生长初期的发生, 推迟了毛发生长中期, 小鼠皮肤中的毛干更长了。毛囊干细胞,HFSCs;真皮乳头细胞,DPC;毛囊,HF;外根鞘细胞,ORSCs;转化生长因子β,TGF-β;角质形成细胞生长因子,KGF;胰岛素样生长因子,IGF;肝细胞生长因子,HGF;音速刺猬,嘘;紫外线B,UVB;黑素细胞诱导转录因子,MITF;酪氨酸酶,TYR。

外泌体在疤痕修复中的作用

有几种补充疗法,例如手术、激光疗法和细胞疗法,可以最大限度地减少和改善疤痕外观。

外泌体可以加速伤口后疤痕的修复过程。非常有趣的是,研究表明在小鼠伤口愈合的早期全身施用外泌体可增加胶原蛋白 I 和 III 的产生 。外泌体在后期抑制胶原蛋白表达以减少疤痕形成。

此外,在全层皮肤伤口的小鼠模型中。外泌体可通过激活PI3 激酶Akt (PI3K/Akt) 信号通路促进胶原蛋白合成并优化胶原蛋白沉积,从而缩短小鼠模型的愈合时间并减少疤痕形成。

外泌体与由 F127-PEI 和 APu 组成的多功能 FEP 支架敷料结合使用,可以通过增强细胞增殖、肉芽组织形成、胶原蛋白沉积来加速愈合,减少疤痕组织形成和皮肤附件再生,重塑和再上皮化。

这些研究表明,将具有生物活性的。外泌体结合到多功能敷料中,在抑制疤痕形成和在愈合组织中产生皮肤附件方面具有巨大潜力。

外泌体在嫩肤和抗衰老中作用

由于内在和外在的老化过程,皮肤会经历生理变化并不可避免地失去其结构和功能特征。空气污染、生活方式选择,尤其是紫外线 (UV) 辐射等外部不利因素会导致皮肤老化。

由紫外线照射引起的光老化的特征是晒伤、不规则色素沉着、干燥、灰黄、粗糙、细小和粗大的皱纹,这主要是由于ECM材料的变化。真皮成纤维细胞是主要合成前胶原和弹性纤维等结构成分的细胞类型。

衰老改变了 HDFs 的数量和增殖,减少了胶原蛋白的合成和修复,并加速了 MMPs 对现有皮肤基质的降解。

各种细胞,特别是干细胞条件培养基和外泌体分泌的旁分泌物质的有益作用,可以因此维持皮肤的稳态和青春。

由于外泌体可以介导细胞间通讯并调节HDFs的特性,因此外泌体最近在抗衰老嫩肤方面受到了极大的关注。

源自 HDF 球体三维培养物的外泌体 (3D-HDF-exos) 通过下调 TNF-α 和上调 TGF-β引起 I 型前胶原增加和 MMP-1 表达降低。

在体外和裸鼠中,3D-HDF-exos 导致比 BMSC 衍生的外泌体更高水平的真皮胶原蛋白沉积光老化模型。

因此,3D-HDF-exos 可能调节真皮成纤维细胞以诱导有效的胶原蛋白生物合成并改善炎症,具有抗皮肤老化特性。

在 UVB 诱导的光老化和自然衰老模型中,研究证明了人诱导多能干细胞衍生的外泌体 (iPSC-exos) 改善了光老化 HDF 的基因型和表型变化。

iPSC-Exo 的有益作用是通过降低衰老相关 β-半乳糖苷酶 (SA-β-gal) 和 MMP1/3 的表达水平并恢复I 型胶原蛋白在衰老的 HDF 中的表达。

随着时间的推移,衰老细胞在各种组织中积累,并导致组织功能障碍和与衰老相关的表型。

外泌体的色素沉着调节和美白功效

在最薄的皮肤外层,太阳辐射激活各种调节剂和途径,导致黑色素细胞中黑色素合成增加。

黑色素细胞将黑色素输送到表皮细胞,并与表皮细胞结合形成功能性表皮黑色素单位,在调节表皮色素沉着和稳态中起关键作用。皮肤光保护防御的第一道防线之一是黑色素的合成。

然而,在暴露于有害物质后,皮肤细胞中黑色素的过度生成和不规则积累也会导致皮肤灼伤、晒黑和色素沉着,包括日光性雀斑、雀斑、老年斑和黄褐斑。

皮肤色素沉着取决于表皮中角质形成细胞和黑素细胞之间的相互作用。

外泌体将多种膜蛋白和胞质成分携带至黑素细胞,并通过调节基因表达和酶活性调节健康和患病状态下的色素沉着。

总之,外泌体逐渐成为当代医学,尤其是皮肤病学和皮肤医学美容领域的前沿。许多皮肤损伤,包括毛发疾病,在治疗方面都需要医学和美学的严格结合。外泌体含有重要的旁分泌介质,参与皮肤的多种生理和病理过程。作为细胞间信使,外泌体在各种皮肤细胞之间穿梭,如角质形成细胞、成纤维细胞、内皮细胞、脂肪细胞和免疫细胞,通过对组织再生和修复产生反常影响。

本文原文发表在Pharmacological Research,The novel mechanisms and applications of exosomes in dermatology and cutaneous medical aesthetics

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