外泌体治疗 | 首次人体MSC外泌体治疗膝骨关节炎的安全性和有效期
lyw
91
2026-03-20 13:44:51
最近智利安第斯大学的科学家团队在Journal of Nanobiotechnology期刊上发表的一篇关于 “Clinical‑grade extracellular vesicles derived from umbilical cord mesenchymal stromal cells: preclinical development and first‑in‑human intra‑articular validation as therapeutics for knee osteoarthritis.” 文章（脐带间充质基质细胞临床级外泌体：临床前开发和首次人类关节内验证作为膝骨关节炎的治疗），使用各种体外和体内实验方法广泛研究了疗效、安全性和潜在的作用机制。这项研究对UC-MSC衍生的外泌体作为膝关节内给药疗法的临床前特征和初步临床应用提供了全面的见解，强调了其再生、抗炎特性和安全性。
01 背景
骨关节炎 (OA) 是最普遍的进行性多因素关节疾病，其主要特征是关节软骨的退化和丧失。在发达国家，OA是慢性疼痛和残疾的主要来源之一，对健康和就业福利系统造成了巨大的成本。
膝盖是受影响最大的关节，几乎占全球OA的4/5。迄今为止，膝骨关节炎还没有能够延迟软骨退化或恢复关节软骨功能的治疗方法，其治疗基于通过多模式方法对疼痛和关节僵硬的症状控制。
OA的突出特征包括慢性滑膜炎和软骨退化，新证据表明滑膜炎先于软骨退化。滑膜组织中的巨噬细胞，特别是促炎性M1亚型，通过释放细胞因子，如IL-1β、IL-6和TNF-α，在引发、维持和放大炎症中发挥着至关重要的作用。相反，具有抗炎表型的M2巨噬细胞分泌细胞因子，如IL-10，这对于组织修复和炎症消退是必不可少的。
在OA患者中，滑膜炎的特征是产生活性氧 (ROS) 的M1巨噬细胞数量增加，这导致炎症、基质失调和软骨损伤。ROS对软骨细胞的影响已被证实，氧化应激诱导初级软骨细胞凋亡。
在OA的动物模型中，减少促炎介质和ROS水平可改善OA的关键病理生理学方面，控制炎症和氧化应激是OA治疗的有效策略。
间充质基质细胞 (MSC) 作为一种可能的骨关节炎生物疗法已被广泛研究。这种治疗效果与外泌体（sEV）有着千丝万缕的联系，这些外泌体表现出与其细胞相似的组织再生能力，同时呈现出更安全的无细胞治疗方案。
在骨关节炎的动物模型中，利用MSC-sEV的疗法已经证明了有希望的临床前疗效，其通过调节免疫反应性，恢复软骨基质稳态和软骨形成刺激来促进软骨再生和减缓骨关节炎的进展。
根据之前发表的数据，脐带(UC)是最有希望用于治疗OA的MSC来源，因为其具有优越的软骨形成能力和体外抑制T细胞增殖的能力，以及与骨髓和其他胎盘来源相比较低的血管生成特性。
OA，Osteoarthritis，骨关节炎
IA，intra‑articular，关节内
sEV，Small Extracellular Vesicle，小细胞外囊泡，也称之为“外泌体”
02 研究数据
开发一种基于UC-MSC衍生sEV的临床级疗法来治疗膝骨关节炎。本研究的目的是评估其疗效和安全性。结果显示了在非cGMP条件下来源于UC-MSC的sEV的完整特征。在多个批次中发现了一致的miRNA和蛋白质谱，表明了标准化生产工艺的潜力。这项研究对UC-MSC衍生的sEV作为OA IA疗法的临床前特征和初步临床应用提供了全面的见解，以及sEV的概念验证工程，以纳入外源性miRNA货物，用于在OA相关的关键细胞谱系中递送。
间充质细胞外泌体在氧化应激中保护软骨
sEV在氧化应激中发挥软骨保护活性。A. 建立极化的hmMΦs示意图。B. 对照(未处理)和sEV处理hmMΦs的流式分析，获得的CD86/HLA-DR (M1，促炎标记物) 和CD206/CD163 (M2，抗炎标记物) 的代表图，随后对sEV处理组相比于对照组的CD86、HLA-DR、CD206和CD163 MeFI进行分析，给出倍数变化图。C. ELISA检测巨噬细胞分泌的IL-10、VEGF、IL-6、TNF-α和IL-1β细胞因子含量。E.通过PI/Annexin V染色和流式术检测甲萘醌诱导的细胞毒性试验，以评估sEV的软骨保护活性。F. 代表图显示huOAC中PI/Annexin V染色如下：无处理对照组 (上图)、甲萘醌处理组 (中图) 和甲萘醌+ sEV处理组 (下图)。G. 描述了活细胞 (左) 和凋亡/死亡细胞 (右) 的百分比。H. 建立了基于LDH释放的sEV在huOAC中的细胞毒性试验。(1) Triton X-100处理的huOAC (阳性对照)，(2) 未处理的huOAC (阴性对照)，(3) sEV处理的huOAC，剂量I (1E+8 sEV/孔)和 (4) sEV处理的huOAC，剂量II (4E+8 sEV/孔)。hmMΦs，human monocyte-derived macrophage，人单核细胞衍生的巨噬细胞；sEV，Small Extracellular Vesicle，小细胞外囊泡，也称之为“外泌体”；MeFI，Median Fluorescence Intensity，中值荧光强度。
间充质细胞外泌体在小鼠模型中缓解骨关节炎并促进再生
sEV在CIOA小鼠模型中缓解骨关节炎并促进再生。A. 在胶原酶诱导的骨关节炎 (CIOA) 小鼠模型体内进行临床前sEV关节内给药示意图。B. BMD代表三种治疗（假手术、骨关节炎和骨关节炎+sEV治疗）的μCT图像，颜色与矿化程度相对应：刻度上较高的数字 (浅蓝色) 代表较高的局部矿化度 (单位体积含有更多的矿物质)。C. μCT图测量的BMD值（评估了四个不同的膝关节区域：股骨内侧、股骨外侧、胫骨内侧和胫骨外侧）。D. μCT获取的假手术、骨关节炎和骨关节炎+ sEV治疗的膝关节冠状图像。E. 从四个不同膝关节区域的μCT分析中获得的BS/BV指数。F. 通过Safranin O/Fast green染色对软骨进行组织学验证。G. 在四个不同的膝关节区域获得的骨关节炎组织学评分。CIOA，Collagenase-induced OA (CIOA)， 胶原酶诱导的骨关节炎(CIOA)模型; μCT，X线显微计算机断层扫描。
间充质细胞外泌体保持在膝关节间隙内并抑制炎症
sEV保持在膝关节间隙内并抑制炎症。A. 小鼠体内免疫原性评估，从假手术、骨关节炎和骨关节炎+sEV治疗处理的小鼠中分离膝后淋巴结，通过流式细胞术测定CD4+ T细胞群：CD4+ IL-17+促炎细胞，CD4+ IFNy+ 辅助细胞和CD25+ FOXP3+ Treg细胞。显示了每个亚群的代表性直方图 (左)和亚群百分比 (右)。B. 生物分布测定，在小鼠膝关节内注射DiR染色的sEV，并监测24、48和72小时示踪的外泌体情况。
首次人体关节炎-关节内注射间充质细胞外泌体的有效性和安全性验证
将临床级脐带间充质细胞外泌体在膝骨关节炎患者关节内给药，在给药前和治疗1年后，患者临床评分指数降低且症状好转，未观察到任何不良反应。第三方核磁共振检查显示软骨无退化迹象，证明了首次外泌体人体关节内给药的初步安全性。设计了进一步的Ⅰ期临床试验，计划患者分别接受低、中、高三中剂量外泌体治疗，即2±0.5E+9 particles/3 mL，6±0.5E+9 particles/3 mL，20±0.5E+9 particles/3 mL，并随访1年。
首次人体关节炎-关节内注射UC-MSC sEV的有效性和安全性。sEV治疗前、6和12个月的WOMAC指数演变，分为子量表：疼痛、僵硬和功能。第一位患者右膝在基线 (左) 和sEV治疗后6个月 (右) 的矢状面代表图。股骨外侧髁和胫骨外侧髁中的箭头表示关节软骨。基于从第三方图像分析报告中获得的SPAIR和WATSc序列，对软骨体积进行对比分析，评估其安全性。
WOMAC的全称是“Western Ontario and McMaster Universities Osteoarthritis Index”。它是由加拿大的西安大略大学和麦克马斯特大学共同开发的，旨在评估骨关节炎患者的疼痛、功能和僵硬程度。SPAIR（SPectral Attenuation-Weighted Inversion Recovery）和WATSc（Water Apparent T2*）是两种通过磁共振成像（MRI）技术用来评估软骨的指标。
这些结果在2019年进行的I/II期随机对照临床试验和I期剂量递增临床试验中得到验证(NCT编号02580695) 。
03 研究方法
为了说明间充质细胞衍生的外泌体(MSC-Exos)通过减少嗜中性粒细胞细胞外陷阱(NETs) 的过度形成而减轻脓毒性肺损伤的潜力。
1. 通过对分离的间充质细胞外泌体进行鉴定和表征
包括WB-阴阳性标志物、NTA-粒径范围与颗粒浓度、TEM-形态与完整度、流式-表面标志物占比、蛋白质组-蛋白货物种类与含量、转录组-RNA货物种类与含量。
2. 天然或转载miRNA的间充质细胞外泌体可以骨关节炎相关细胞系摄取
通过外泌体示踪试剂标记，显示外泌体可以进入骨关节炎相关细胞系内部；装载miRNA外泌体进入细胞，qPCR可以检测到miRNA，表明外泌体进入细胞并携带有货物。
3. 间充质细胞外泌体可以驱动巨噬细胞极化，并在氧化应激中保护软骨细胞
间充质细胞外泌体可以增加抗炎活性M2极化巨噬细胞比例，可以增加抗炎表型M2巨噬细胞分泌IL-10，有益于组织修复和炎症消退。
4. 使用转录组学对间充质细胞外泌体RNA进行分析
分析样本中16种常见miRNAs的富集模式，对其调控的蛋白质进行GO分析，突出了几个生物学过程和与巨噬细胞和炎症过程相关的推定靶基因的数量。
5. 间充质细胞外泌体在关节炎小鼠模型中缓解骨关节炎并促进再生
关节炎造模，并在关节内给药干细胞外泌体，μCT分析关节区域的骨密度，评估干细胞外泌体治疗组关节再生和软骨情况。
6. 间充质细胞外泌体可以发挥免疫抑制活性，可长期稳定存在关节腔内
小鼠关节腔内注射干细胞外泌体是否可以降低CD4+ IL-17+细胞和CD4+IFN-γ+细胞水平，是否具有免疫抑制活性。在注射后24、48和72小时外泌体示踪分析，证明外泌体可以长时间稳定存在关节腔内，可以长时间发挥免疫抑制效应。
6. 间充质细胞外泌体用于商业化和临床应用的存储稳定性验证
7. 首次人体间充质细胞外泌体给药的I期临床研究设计
04 结论
各种体外和体内实验方法广泛研究了疗效、安全性和潜在的作用机制。该临床级产品通过膝关节内给药进行了首次人体安全性评估。
显示了在非cGMP条件下来源于UC-MSC的sEV的完整特征。在多个批次中发现了一致的miRNA和蛋白质谱，确定了标准化生产工艺。
对脐带干细胞外泌体作为关节炎-关节内给药疗法的临床前特征和初步临床应用提供了全面的见解，确定了其再生和抗炎特性和安全性。
I期临床实验计划患者分别接受低、中、高三中剂量外泌体治疗，即2±0.5E+9 particles/3 mL，6±0.5E+9 particles/3 mL，20±0.5E+9 particles/3 mL，并随访1年。
