【院士笔谈】间充质干细胞外泌体研究进展

摘要：目的 探讨间充质干细胞外泌体在疾病治疗中的研究现状、核心机制、机遇与挑战,为后续间充质干细胞外泌体的临床转化提供策略参考。方法 以“间充质干细胞”与“外泌体”为关键词,检索PubMed近10年相关文献,总结间充质干细胞研究与应用,系统阐述间充质干细胞外泌体的发现、成分及发挥作用的核心机制,并对间充质干细胞临床应用面临的挑战进行分析。结果 间充质干细胞外泌体是间充质干细胞发挥功能的重要介质,在多种疾病的治疗中具有重要应用前景;相较于间充质干细胞本身,其衍生的外泌体因结构更简单、免疫原性可能更低,被认为在质控和安全性评估上具有相对优势;同时,其纳米级尺寸理论上有助于克服血脑屏障等递送障碍,因而被视为一个具有转化潜力的研究方向。结论 间充质干细胞外泌体是当前再生医学领域的研究热点之一,其基础研究与临床转化探索正处于快速发展阶段。研究显示,与完整的间充质干细胞治疗相比,外泌体理论上具有更低的免疫原性风险、更强的组织穿透与靶向递送潜力,这些特点使其在解决传统细胞疗法面临的某些挑战方面展现出应用前景,由此催生的“无细胞治疗”策略,可能在一定程度上为干细胞疗法提供新的发展路径。

关键词: 间充质干细胞, 外泌体, 免疫原性, 靶向, 干细胞疗法, 药理机制, 临床应用

基金项目: 国家自然科学基金资助项目（82404965）; 中国科协青年人才托举工程项目（2023QNRC001）

自20 世纪 60 年代起，多种细胞分泌的小型囊泡被研究者观察到 [1]。在当时，科学界普遍认为外泌体仅仅是细胞的“垃圾袋”，无特定功能，并未引起广泛关注。直到 2007 年，瑞典科学家 Lotvall 团队 发现树突状细胞等免疫细胞分泌的外泌体可携带 功能性 mRNA 和 microRNA，并被其他细胞摄取， 从而改变受体细胞功能 [2]。这一发现颠覆了对外泌 体的传统认知，人们开始意识到，外泌体作为细胞 远程信号的载体，在生理和病理过程中扮演着关 键角色。随着研究深入，外泌体定义逐渐成形，即 细胞主动分泌的直径 30~150 nm 的细胞外囊泡，内 含蛋白质、核酸、脂质等信息分子，在体液中循环， 并被远端或邻近的靶细胞摄取，从而调控靶细胞 的生理或病理状态。21 世纪初起，外泌体被证明广泛存在于血液、尿液、唾液等体液中，其数量、内 容物与癌症、神经退行性疾病、心血管疾病等密切 相关 [3-4]，被视为极具潜力、非侵入性的液体活检 宝库。同时，系列研究发现外泌体是间充质干细胞 （Mesenchymal Stem Cell, MSC）发挥治疗作用的重 要载体 [5]，这催生的“无细胞治疗”的新策略，有望为 MSC 为代表的干细胞疗法提供新的发展路径。

MSC 的成人来源为可以从个体获得的组织，如牙髓、骨髓、外周血等。骨髓是第一个被发现的成人 MSC 来源 [6]，并已成为迄今为止使用最广泛的 MSC来源之一。MSC 的围产期来源则包括脐带衍生成分， 如脐带、脐带血及胎盘结构。尽管脐带来源的 MSC 数量占比极低，其在标准化的无血清培养体系下，较成人来源的 MSC，在增殖速率和集落形成单位数量 方面更具优势 [7]。整体而言，MSC 具有来源丰富、采集方便、免疫原性低的优点，被广泛用于神经退行性 疾病、呼吸系统疾病、消化系统疾病、烧伤、关节炎症等疾病研究 [8-10]。截至 2023 年 12 月初，我国干细 胞临床研究项目超 120 项，按疾病类型分布占比排名前 3 位的分别为神经系统疾病、免疫系统疾病和妇科疾病。其中，有逾 90 个项目使用 MSC 或 MSC 样干细胞，占比超过 70%，且来源以脐带为主。目前，中国临床试验注册中心登记注册项目急速增加，国内以 MSC 治疗各种疾病为主的临床试验正火热进行。

长期以来，MSC 的临床潜力主要基于其直接植入与分化替代的假设，即通过归巢至损伤部位，直接 分化为功能性细胞以修复组织。然而，越来越多的证据表明，移植后 MSC 的长期存活率和定植率极低， 其治疗效果与体内细胞数量并不成正比 [11]，推动对 MSC 作用机制的重新审视。已有研究表明，MSC 发挥治疗功效主要基于其强大的旁分泌功能，而非直接的细胞替代作用。其所分泌的丰富生物活性物质，包括 间充质干细胞外泌体（MSC-Derived Exosome, MSC-Exo）， 构成治疗作用的物质基础。这一认知将治疗的核心从细胞本身转向其分泌的活性分子成分。这些纳米级的 脂质双层囊泡携带细胞来源的蛋白质、脂质及丰富的核酸，能够在细胞间进行高效的信息传递 [12]。同时，外泌体呈现低免疫原性、易储存、低成瘤风险、可穿越血脑屏障等优势，为干细胞应用与临床提供了新路径 [22]。

MSC-Exo 的获取是其研究与应用的基石，其来源与分离技术的选择直接影响外泌体的产量、纯度及生物学活性。目前，外泌体主要来源为不同组织 MSC 体外培养上清液。大规模、标准化培养是确保 外泌体来源稳定和满足临床需求的前提，培养条件 （如血清来源、氧浓度、细胞代次）的细微变化均可显著影响外泌体的成分与功能，引发批次间异质性[13]。 在分离纯化方面，超速离心法仍是当前的金标准，通过差速离心步骤可富集大小在 40~150 nm 的囊泡， 但其过程耗时、设备昂贵，且高速剪切力可能损伤外泌体膜结构，并易与蛋白聚集体等杂质共沉淀。为克服上述局限，多种替代技术得到发展与应用：尺寸排阻色谱法能基于粒径差异实现温和、高效的分离，获得更高纯度和生物活性的外泌体，但处理量相对较小；基于聚合物沉淀（如 PEG）的商业试剂盒操作简 便、快速，适合初步富集，但常引入聚合物污染物并导致囊聚，影响下游功能分析。此外，微流控技术和免疫亲和捕获法等新兴技术，凭借高分辨率或特异性识别，在提高分离特异性方面展现出潜力，但其通量和成本仍是规模化应用的瓶颈。因此，未来 MSCExo 临床应用研究应优化和标准化分离方案，并积极探索能够兼顾高纯度、高回收率及功能完整性的 集成化、标准化外泌体分离纯化平台技术。

MSC-Exo 的功能源于其高度复杂且具有功能 导向性的分子内容物。这些生物活性分子主要分为三类：蛋白质、核酸和脂质 [14]。其蛋白质组包含保守表达的跨膜蛋白和热休克蛋白，它们参与外泌体的生物发生与细胞靶向识别。更重要的是，MSC-Exo 富 含大量具有明确生物学功能的 MSC 特异性蛋白，如 参与细胞外基质重塑的组织金属蛋白酶抑制剂、具有免疫调节功能的转化生长因子-β 以及促进血管生成的血管内皮生长因子等，这些蛋白构成外泌体执行组织修复功能的直接效应基础 [15]。在核酸成分中，miRNA 被认为是外泌体核心功能分子，如 MSCExo 中的 miR-223 通过调控 LACC1 减轻骨髓炎中巨噬细胞焦亡，MSC-Exo 来源的 miR-126-5p 通过调节 FBXO32/MyoD 信号轴促进骨骼肌再生，而 MSC-Exo 来源的 miR-223 则可抑制巨噬细胞中的 AKT 磷酸化，缓解先天性巨结肠相关性小肠结肠炎 [16-18]。此外，外泌体还携带 mRNA、lncRNA 及线粒体 DNA， 共同参与受体细胞的表观遗传与功能重编程 [2]。外泌体的脂质组成（如胆固醇、鞘磷脂、磷脂酰丝氨 酸）不仅维持其结构稳定性，还参与细胞膜融合、内化过程以及免疫调节信号的传递 [19]。这些分子并非 孤立存在，而是以协同或级联的方式发挥作用，体现 出外泌体的“集成式”治疗特性 [2,20]。

外泌体治疗疾病的核心机制在于其作为信号转导载体，通过系统性地调控受体细胞的基因表达与功能状态，在多个病理环节发挥协同作用，而非单一靶点的干预。其核心机制可归纳为以下几个方面。 ①免疫调节与抗炎是其最显著的机制之一，MSC-Exo 通过携带 miR-216a-5p、miR-146a-5p 等 miRNA，抑制 TLR4/NF-κB/PI3K-Akt 等炎症通路，调控巨噬细胞极化，显著降低炎症因子并升高 IL-10、TGF-β，在脊髓损伤、中风及多发性硬化模型中发挥抗炎与神经保护 作用 [21]。②组织修复与再生方面，MSC-Exo 通过激 活 AKT/mTOR 或抑制 p53/ATF6 通路，促进肾小管上 皮细胞、软骨细胞及髓核细胞存活与增殖，加速急性 肾损伤等多种模型的组织修复与再生 [22]。③促血管 生成是另一关键机制，MSC-Exo 携带 miR-126、miR210-3p 及 miR-21-5p 等 miRNA，通过抑制 SPRED1/ PIK3R2 或上调 VEGF/VEGFR 表达，激活 PI3K/Akt 与 MAPK 通路，显著促进人脐静脉内皮细胞管腔形成及缺 血组织新血管生成 [23]。此外，抗纤维化机制在 MSCExo 治疗纤维化中至关重要 [24]。例如，MSC-Exo 递送 的 miRNA 可靶向下调肝脏中Ⅰ型胶原蛋白、α-平滑肌肌动蛋白等的表达，抑制肌成纤维细胞的活化与 细胞外基质的过度沉积 [25]。这些机制并非孤立运行， 而是构成一个动态、联通的网络，共同驱动从抑制损 伤、清除炎症到促进结构重建和功能恢复的完整修 复进程，体现出外泌体多靶点的独特优势。

目前，MSC-Exo 的临床试验正从探索性研究向针对性治疗稳步推进，但整体尚处于早期阶段，多数研究集中于安全性验证和初步疗效观察。根据 ClinicalTrials.gov 的注册信息，已登记的相关临床试 验数量有限，且以Ⅰ/Ⅱ期为主，所针对的适应症具有 鲜明的“损伤修复与免疫调节”导向性。例如，1 项 发表于《干细胞研究与治疗》的Ⅰ期临床试验初步证 实，静脉输注 MSC 来源的外泌体（ExoFlo）在重度 COVID-19 患者中是安全且耐受性良好的，并能显著 改善氧合指数、降低全身炎症因子水平，展现出其逆 转“细胞因子风暴”的潜力 [38]。尽管这些早期试验报 道的积极的安全性数据和令人鼓舞的疗效趋势，但当前研究普遍存在样本量小、缺乏随机双盲对照、 外泌体制备工艺不统一等局限。因此，临床试验现状 揭示了1 个关键过渡期：①初步数据支持 MSC-Exo 临床转化的可行性，为其在尚无有效疗法的疾病领域中应用打开大门；②突显出推动其走向成熟临床 应用所亟待解决的核心问题（如建立标准化的生产 与质控流程、确定生物学效价指标、开展设计严谨的 确证性临床试验）。

MSC-Exo 虽一定程度上规避传统干细胞移植的成瘤、栓塞等直接风险，但其长期安全性与潜在的生物学风险仍是亟待厘清的未明问题。目前，尽管早期临床试验报告了良好的短期耐受性，但长期随访数据普遍缺乏，其安全性远暂未得到充分评估。 ①外泌体具有强大的旁分泌信号调控能力，其携带的活性成分在特定病理微环境下存在潜在的双刃剑 效应。例如，有临床前研究提示，在肿瘤模型中外泌 体可能通过传递促瘤 miRNA 或抑制免疫监视，潜在 促进肿瘤生长或转移，尽管此风险在健康或非肿瘤 疾病模型中尚未被证实，但在患有隐匿性肿瘤或癌前病变的患者中应用时，其风险不容忽视 [39]。②外泌体 的异质性带来不确定性。理论上，外泌体免疫原性较低，但不同供体、组织来源及制备工艺导致的产品批次 间异质性，可能引入不可预测的免疫反应或疗效差异。 ③外泌体在体内的分布、代谢归宿及其对远处器官的 潜在脱靶效应尚未完全阐明。全面评估其安全性需要未来更大规模、更长随访周期的临床试验，并结合严谨的临床前毒理学研究，以建立可靠的风险评价体系。

尽管临床前研究显示出巨大潜力，MSC-Exo 从实验室走向临床应用仍面临显著的疗效不确定性。 ①啮齿类等动物模型的疾病病理生理过程、免疫系 统复杂度及器官微环境与人体存在本质差异，从动物到人体，实验结果和临床实际疗效可能存在一定 差异。人类慢性疾病病因复杂、病程漫长且伴随多 重并发症，这种高度异质性的病理背景可能显著削弱MSC-Exo 在动物模型中观察到的明确效果 [40]。 ② MSC-Exo 的疗效高度依赖于其与患者体内微环境的 相互作用，而患者基线状态的个体差异，是影响其治疗效果的关键变量。研究显示，在全身性炎症风暴状态 下，过量的促炎因子和活跃的免疫细胞可能“淹没” 或快速清除输入的外泌体，使其无法到达靶点或发挥足够的免疫调节作用 [41]。③患者年龄、基础疾病、 共用药等因素都会影响其内源性细胞对外泌体“信 号”的接收与响应能力，导致同一剂量方案在不同个体间产生“有反应者”与“无反应者”的显著区别。这种由患者异质性带来的疗效不确定性，对个体化给药策略和疗效预测生物标志物研发提出紧迫需求。

MSC-Exo 在体内半衰期短、易被快速清除，是制约其临床疗效的关键瓶颈之一。静脉注射的 MSC-Exo 会迅速被单核吞噬系统捕获并清除，导致其血液循环半衰期通常短于10 分钟至数小时 [42]。这种快速清除使得大量外泌体在到达靶组织前就已损失，无法在病灶部位积累足够的剂量，影响其治疗效果。针对性的解决策略包括：对 MSC-Exo 进行工程化改造以增强其靶向性和循环稳定性；通过膜表面修饰（如连 接靶向肽、抗体或亲水性聚合物如聚乙二醇化）部分包装外泌体，减少被免疫系统识别和清除等。优化给药策略，如采用局部注射、缓释载体负载或重复多 次给药，也是当前提高局部浓度的实用探索方向。此外，与活细胞相比，MSC-Exo 膜结构的完整性、表面蛋白的活性以及腔内功能性核酸的含量极易受到环 境因素影响。反复冻融、温度不当、氧化应激或物理剪切 力均可能导致外泌体囊泡破裂、聚集或生物活性分 子降解。因此，研发能同时维持其物理完整性、生化 组成和治疗效力的稳定化策略亦是当前研究焦点。

MSC-Exo 是 MSC 旁分泌作用的核心介质，本质为直径 30~150 nm 的细胞外囊泡，内部富含蛋白质、 核酸、脂质等生物活性分子。其核心作用机制在于作 为天然的“信息与物质载体”，通过细胞间通讯将功 能性内容物递送至靶细胞，从而精准调控免疫反应、 减轻炎症、抑制纤维化、促进血管生成与组织修复， 被证明在越来越多的疾病治疗中具有重要功效。与 MSC 相比，MSC-Exo 在疾病治疗中展现出优势：作为非细胞成分，其避免了细胞移植相关的栓塞与成 瘤风险；其纳米级尺寸赋予其更强的组织屏障穿透与靶向递送潜力；作为非增殖性实体，其在生产、储 存、质控与标准化方面更具可行性。MSC-Exo 代表 着再生医学向“无细胞治疗”时代演进的重要方向。 当前研究正从基础机制探索快速转向临床转化，重 点在于：①建立大规模、标准化的生产工艺与质量控制 体系；②通过工程化修饰等方法，提升其靶向性、治疗 效力与在体稳定性；③开展严谨的临床试验，以验证 其人体这一更复杂体系中针对多种难治性疾病治疗 的安全性与有效性；④发展适合 MSC-Exo 的存储、 运输条件设施等。随着技术瓶颈的逐步突破，MSCExo 有望成为一种安全、有效且可精准调控的新型生 物制剂，为众多疾病的治疗提供全新的解决策略。