文献解析|人体MSC外泌体治疗膝骨关节炎的创新研究

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

近日，智利安第斯大学科研团队在《Journal of Nanobiotechnology》发表题为《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》的论文，深入评估了脐带间充质基质细胞衍生的细胞外囊泡治疗膝骨关节炎的临床潜力。研究整合多种体外实验与动物模型，全面考察其疗效、安全性及作用机制，并通过首例人体关节内给药试验，初步验证其在人体应用中的可行性和安全性。

研究背景

本研究致力于开发一种基于脐带间充质基质细胞（UC-MSC）衍生小细胞外囊泡（sEV）的临床级疗法，并对其疗效与安全性进行评估。研究人员首先对非cGMP条件下UC-MSC衍生的sEV进行了全面表征，发现多个批次的sEV在miRNA和蛋白质谱上具有高度一致性，这为标准化生产工艺提供了可能性。在体外实验中，sEV展现出软骨保护活性。通过建立极化的人单核细胞衍生巨噬细胞（hmMΦs）模型，流式分析结果显示，经sEV处理后的hmMΦs中，M1促炎标记物（CD86、HLA-DR）表达降低，而M2抗炎标记物（CD206、CD163）表达升高；ELISA检测进一步表明，巨噬细胞分泌的抗炎因子IL-10水平上升，促炎因子IL-6、TNF-α和IL-1β水平下降。在甲萘醌诱导的细胞毒性试验中，sEV能够有效保护软骨细胞，降低凋亡/死亡细胞比例，且基于LDH释放的细胞毒性试验表明sEV对软骨细胞无明显毒性。

在小鼠实验中，研究人员构建了胶原酶诱导的骨关节炎（CIOA）小鼠模型，并进行了关节内给予sEV的临床前实验。μCT图像显示，接受sEV治疗的小鼠膝关节骨密度（BMD）值和骨表面积与骨体积比（BS/BV）指数得到改善。Safranin O/Fast green染色结果证实了sEV对软骨的保护作用，其组织学评分更低。此外，对小鼠膝后淋巴结的检测发现，sEV能够抑制炎症反应，调节CD4+ T细胞群，减少促炎细胞，增加调节性T细胞（CD25+FOXP3+ Treg细胞）。生物分布测定显示，注射DiR染色的sEV后，sEV能够在膝关节间隙内长时间稳定存在。

在首次人体临床试验中，研究人员将临床级UC-MSC-sEV注入膝骨关节炎患者关节内。结果显示，治疗1年后患者的临床评分指数（WOMAC指数）降低，症状得到改善，且未观察到任何不良反应。第三方核磁共振检查通过SPAIR和WATSc序列评估发现，患者软骨无退化迹象，初步证明了sEV人体关节内给药的安全性。后续研究团队设计了进一步的1期临床试验，计划让患者分别接受低、中、高三种剂量的sEV治疗，并随访1年。这些结果在2019年进行的1/2期随机对照临床试验和1期剂量递增临床试验中得到了验证。

研究方法

sEV的鉴定和表征： 研究人员利用多种技术对分离的MSC-sEV进行全面鉴定和表征，包括Western Blot检测标志物、纳米颗粒跟踪分析（NTA）测定粒径范围与颗粒浓度、透射电子显微镜（TEM）观察形态与完整度、流式细胞术检测表面标志物占比、蛋白质组分析蛋白货物种类与含量、转录组分析RNA货物种类与含量等。

sEV的摄取研究： 通过sEV示踪试剂标记，观察sEV进入骨关节炎相关细胞系的过程；并利用qPCR检测装载miRNA的sEV进入细胞后miRNA的存在，证明sEV不仅能被细胞摄取，还携带了功能性货物。

巨噬细胞极化和软骨细胞保护研究： 研究发现MSC-sEV可驱动巨噬细胞向抗炎表型的M2极化方向发展，增加M2极化巨噬细胞比例，同时促使M2巨噬细胞分泌更多的IL-10，这对组织修复和炎症消退具有重要作用，进而保护软骨细胞免受氧化应激损伤。

转录组学分析： 利用转录组学技术分析MSC-sEV RNA中16种常见miRNAs的富集模式，并对这些miRNAs调控的蛋白质进行Gene Ontology（GO）分析，揭示了多个与巨噬细胞和炎症过程相关的生物学过程及潜在靶基因。

动物模型实验： 构建关节炎小鼠模型，并通过关节内给予MSC-sEV，利用μCT分析关节区域的骨密度，评估关节再生和软骨修复情况。

免疫抑制活性和稳定性研究： 向小鼠关节腔内注射MSC-sEV，检测CD4+ IL-17+细胞和CD4+ IFN-γ+细胞水平，评估其免疫抑制活性；通过sEV示踪分析，确定sEV在关节腔内的长期稳定性，证明其可长时间发挥免疫抑制效应。

存储稳定性验证： 对拟用于商业化和临床应用的MSC-sEV进行存储稳定性验证，确保sEV在存储过程中的质量和活性。

首次人体1期临床研究设计： 精心设计首次人体MSC-sEV给药的1期临床研究，明确不同剂量组和随访时间，为后续临床试验提供科学依据。

研究结论

通过多种体外和体内实验，本研究全面评估了UC-MSC衍生的sEV治疗膝骨关节炎的疗效、安全性及潜在作用机制。首次对临床级产品进行了人体关节内给药的安全性评估，确定了非cGMP条件下UC-MSC来源sEV的完整特征，以及标准化生产工艺的可行性。研究充分证实了UC-MSC-sEV作为关节内给药疗法的再生和抗炎特性，以及良好的安全性。后续计划开展的不同剂量sEV治疗的1期临床研究，将进一步探索其治疗膝骨关节炎的最佳方案，为未来sEV在膝骨关节炎治疗领域的广泛应用奠定了坚实基础。