间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)为产生多种效能的原始细胞, 能分化为多种不同细胞, 如骨细胞、脂肪细胞与软骨细胞。细胞外囊泡(extracellular vesicles, EVs)描述为细胞衍生结构, 由脂质双层膜组成, 为细胞间通讯的介质, 通常分为外泌体、微囊泡以及凋亡小体3个亚型^[1-2]。有研究表明, 以干细胞为基础的治疗方法可以参与肿瘤微环境(tumor microenvironment, TME)形成, 并与肿瘤细胞相互作用促进肿瘤生长, MSCs能通过旁分泌发挥其治疗效能, 外泌体正是MSCs旁分泌的主要物质, 其能够将蛋白质和RNA转移至受体细胞并对各类肿瘤细胞的生长产生多种影响^[3]。MSCs来源的外泌体(mesenchymal stem cell-derived exosomes, MSC-EXO)具有发挥抗肿瘤活性的潜力^[3-4]。已有研究表明, 人骨髓间充质干细胞来源的外泌体(bone marrow mesenchymal stem cells-derived exosomes, BMSC-EXO)能够通过激活Hedgehog信号通路促进恶性肿瘤生长^[5], Hedgehog通路的激活与多种癌症有密切关联, 如神经管细胞瘤、基底细胞癌、白血病和肺癌等^[6], 为外泌体参与肿瘤进展提供了有力证据。本文就MSC-EXO对恶性肿瘤的影响及可能的调控机制进行综述。

1.   MSCs与外泌体

MSCs是一类来源于早期胚胎的中胚层、具有自行更新能力的多潜能祖细胞, 可以从骨髓、脂肪、滑膜及外周血等组织中分离^[7], MSCs在促进肿瘤进展过程中发挥至关重要的作用。有研究表明, MSCs提供以肿瘤间质形成锚定肿瘤细胞的框架, 分泌促进肿瘤生长的因子^[8]。但是MSCs存在自身的局限性, 如分离采集和运输要求条件高、体外培养过程中不断衰老以及增殖能力有限等, 上述因素也一定程度上限制了其在临床上的应用^[9]。MSCs能够分泌多种生物活性因子参与其与TME相互作用的过程, 显著改变相邻细胞的关键细胞功能, 如生存、凋亡、成熟及分化等, 外泌体在其中发挥重要作用^[10]。外泌体为一类直径在30~100 nm之间的胞外囊泡, 可在100 000 g下离心收集, 在-80℃的环境中储存^[11]。外泌体包含特定DNA、脂质、RNA和胞质蛋白质, 如微管蛋白、肌动蛋白和肌动蛋白结合蛋白以及负责细胞内运输和膜融合的膜联蛋白。此外还有热休克蛋白(heat shock protein, HSP), 如HSP70和HSP90, 与包括CD9、CD63、CD81或CD82在内的四分子交联体, 这些也常用作外泌体标记物^[11-12]。外泌体能够作为肿瘤早期诊断的潜在生物标记物, 以及治疗恶性肿瘤的药物载体, 用于基因治疗^[13]。MSC-EXO包含多种mRNA和microRNA, 能够传递给其他细胞并使受体细胞发生一系列生物学反应^[14], 通过对不同基因或miRNA的调控能够发挥促进或抑制肿瘤细胞生长的作用^[15]。

2.   MSC-EXO在肿瘤中的作用

肿瘤的微环境由不同的细胞类型组成, 如成纤维细胞、免疫细胞和内皮细胞, 这种微环境与肿瘤之间的相互作用对肿瘤细胞的生长和进展至关重要。MSC-EXO能够作为旁分泌介质通过传递信号分子发挥作用, 这些信号分子能够通过控制一些细胞途径来调节肿瘤细胞增殖、血管生成和转移等过程。

2.1   肿瘤生长

外泌体对肿瘤进展的影响已经受到广泛关注, MSC-EXO可通过支持或抑制两种方式影响肿瘤的发展^[15]。有研究发现, MSC-EXO能够通过转移支持肿瘤的miRNAs和蛋白质促进乳腺癌细胞的增殖及转移^[16], 该研究表明多种促进肿瘤的miRNAs, 如miR-21和miR-34a富集在MSC-EXO之中, 这也表明MSC-EXO促进肿瘤增殖的能力可能与miRNAs相关的机制有关。有研究提示, 骨髓MSCs来源的外泌体(BMSCs-EXO)在骨肉瘤和胃癌细胞系中通过激活Hedgehog信号通路促进肿瘤生长^[5], 同时研究还发现MSC-EXO含有基质金属蛋白酶-2, 可能参与促进肿瘤微环境的重组和生长这一过程。虽然MSC-EXO在肿瘤微环境中主要介导肿瘤促进作用, 但也有研究表明MSC-EXO具有抑制肿瘤活性的能力^{[10, 15]}。有研究发现, 脂肪MSCs来源的外泌体能够转运miR- NA-145, 通过降低Bcl-xl的活性与caspase-3、cas- pase-7途径促进肿瘤细胞凋亡来抑制前列腺癌的生长^[17]。有研究发现, 在子宫内膜癌模型的治疗过程中, miR-302A负载的HUMSCs-EXO具有抗癌作用, 其可通过抑制细胞周期蛋白D1的表达和AKT信号通路而抑制子宫内膜癌细胞的增殖和迁移, 同时这些外泌体还具有肿瘤归巢能力, 显示其在肿瘤靶向递送中的趋势^[18]。上述研究结果之间的差异可能与多种因素相关, 如MSCs培养的标准化条件, 因为MSCs培养条件可能影响分泌生物活性因子的整体特征。此外, 提取外泌体的MSCs来源不同也是重要因素, 虽然MSC-EXO中RNA载物因其组织来源的不同而存异, 但是MSC-EXO的疗效并不取决于MSCs的组织, 尽管有研究报导不同组织来源MSCs分泌的营养因子对软骨形成有相似的影响^[9], 发挥相似功能, 但是不同组织来源的MSCs对肿瘤的作用存在不同的影响, 如多发性骨髓瘤患者骨髓MSCs来源的外泌体能够促进多发性骨髓瘤细胞增殖, 除了较高的miRNA含量外, 其他因素如较高数量的细胞因子和黏附分子也可能参与肿瘤的促进作用, 而从正常人骨髓MSCs分离出的外泌体能够通过转移较低量的miRNA-15a抑制多发性骨髓瘤细胞的生长^[15], 表明MSCs的来源对肿瘤的抑制或促进至关重要。

2.2   血管生成

血管生成为肿瘤发生过程中必不可少的生理步骤, 外泌体含有多种血管生成因子, 能够调控肿瘤血管生成, MSC-EXO可通过提高肿瘤细胞中血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)的产生及通过刺激ERK1/2和P38丝裂原活化蛋白激酶途径来刺激血管生成^[15], MSC-EXO还能通过将mRNAs和miRNAs转运至靶细胞并诱导内皮细胞增殖, 从而促进血管生成、良好的血流恢复及毛细血管网络的形成。有研究发现, 脂肪MSCs来源外泌体可被人微血管内皮细胞内化, 并促进血管生成, 通过这项研究也发现血小板衍生的生长因子可通过促使脂肪MSCs分泌富含血管生成因子的外泌体来进一步促进血管生成^[19]。有研究发现, 人脑内皮细胞能够通过摄取外泌体分泌的VEGF-A来促进血管生成, 该研究表明在缺氧的条件下肺癌细胞所分泌的外泌体miRNA-23a能够通过靶向脯氨酰羟化酶和紧密连接蛋白ZO-1来增加血管生成与提高血管通透性^[20], 由此可以推断MSC-EXO可通过血管生成蛋白与miR- NA的转运来诱导细胞间信号传递从而加速血管生成, 进一步促进肿瘤细胞增长。虽然有其他报道表明MSCs在血管生成过程中起关键作用, 但是MSCEXO在血管生成中的作用仍存争议, 可能与MSCEXO中的miRNAs特异性参与了肿瘤血管生成有关。有研究进行生物信息学分析发现, MSC-EXO靶向的各种基因的miRNA含量与血管生成有关, 因此血管生成素可能是MSC-EXO在血管生成诱导中的关键靶标^[21]。其他因素如致癌蛋白、细胞因子和黏附分子的数量也被证实参与外泌体介导的血管生成。

2.3   肿瘤转移与侵袭

MSC-EXO也被证实在肿瘤的转移过程发挥重要作用。有研究发现, MSC-EXO可将miRNA-221转移至胃癌HGC27细胞, 从而促进肿瘤细胞的生长及迁移^[22], 这项实验结果也表明, 尽管正常组织和癌组织中的MSC-EXO对肿瘤细胞增殖和迁移具有相似的作用, 但从癌组织中获得的MSCs分泌了富含支持肿瘤细胞的miRNA-221的外泌体, 因此有利于癌症的促进和迁移, 这与上述所言相一致, 表明MSCs的来源不同对肿瘤的作用存在差异。也有研究发现, MSC-EXO可诱导Wnt信号转导活化, 促进乳腺癌细胞的生长和迁移, 以及来自肿瘤微环境的MSCs可通过离子型嘌呤能信号传导促进乳腺癌细胞增殖与转移, 该过程也与MSC-EXO密切相关^[22]。MSC-EXO也由多种多功能的蛋白质组成, 有研究报导大量的20S蛋白酶体的所有7个α链、7个β链以及免疫蛋白酶体的3个β亚基存在于MSC-EXO之中, 表明其能够通过蛋白酶体靶向肿瘤细胞^[23-24]。MSC-EXO的肿瘤或抗肿瘤的特征可能取决于培养MSCs和促进外泌体形成的环境以及要利用的肿瘤模型有关, 因为肿瘤的微环境和宿主的条件可能与促进/抑制肿瘤有关, 因此部分研究结果并未得到所进行实验的充分验证, 亟需进一步给出详细的数据进行评估。

2.4   修饰MSC-EXO及其在肿瘤方面的应用

在传统治疗中, 缺乏对病变部位的选择性是主要的弊端, 大部分MSCs对肿瘤表现出内在的趋向性, 使其成为抗癌药物靶向输送的潜在细胞, 通过对此类MSCs进行加工修饰以表达抗癌药物, 可以有效地靶向进入肿瘤部位, 这类基与外泌体的新策略有望成为一类新型替代疗法, 因为其比相应的MSCs更具优势, 如药物毒性、免疫原性更低, 不良反应更少, 且外泌体的生产及储存也更便利^[18], 除了将药物加载到外泌体中的方法外, 还可以应用各种修饰方法将miRNA封装在外泌体内。有研究表明, 抗miRNA- 9加载的MSC-EXO能够逆转耐药胶质母细胞瘤中多药转运蛋白的表达, 并逆转了化学耐药性, 替代研究表明瘤内注射表达miRNA-146b的MSC-EXO可显著减少大鼠脑肿瘤模型中神经胶质瘤异种移植的发育, 并减少细胞的生长、迁移和侵袭^[25]。根据上述研究发现, miRNA可将其包装到MSC-EXO中, 并移植神经胶质瘤肿瘤细胞, 这表明修饰后含特定miRNA的MSC-EXO可能是治疗恶性神经胶质瘤的有效方法。在一项类似的研究中, miRNA-122转染的脂肪MSCs可以生成含有miRNA-122的外泌体来传递miRNA-122进入肝癌细胞中, 通过基因表达改变和体内外肿瘤增殖提高肿瘤细胞对化疗药物的敏感性^[26], 转染的MSCs已经在体内实验中用于释放包裹miRNA-379的外泌体的乳腺癌治疗, 表明修饰的外泌体能被递送到肿瘤部位并发挥治疗作用^[27]。有研究发现, 修饰后表达TRAIL的MSC-EXO能以剂量依赖的方式促进11种癌细胞系细胞凋亡^[28], 在MSCEXO介导的siRNA基因递送中也观察到相似的结果。有研究通过使用MSC-EXO作为载体将PLK-1 siRNA转移至膀胱癌细胞中, 实现了对PLK-1基因的选择性沉默, 有效抑制PLK-1 mRNA及相关蛋白的表达^[29]。研究发现, 乳腺癌细胞能够诱导MSCs分泌具有特定miRNA的外泌体, 根据这一发现能够通过应用装载antagomiR-222/223的MSC-EXO靶向沉默乳腺癌细胞, 达到化学增敏作用并提高乳腺癌患者的生存率^[30]。但是MSC-EXO中RNA的数量和特性可能因亲代细胞类型和来源的不同而有所不同, 因此对各种来源的MSC-EXO含量进行全面表征和比较也是极其重要的环节^[31]。

3.   结语

近年来, MSC-EXO在科研领域已经受到广泛关注, 由于其便于获取及操作, MSC-EXO在治疗应用中具有巨大的潜力。相比于MSCs的全细胞疗法, MSC-EXO有良好的耐受性, 并且免疫原性的不良反应风险更低^[32], 尽管已有研究证实MSC-EXO是安全有效的, 但是MSC-EXO应用在临床治疗中还需要对其生物发生、药代动力学和生物分布机制等进一步深入探究。外泌体为TME的重要组成部分, 参与恶性肿瘤微环境中细胞之间的信息传递, 对癌细胞的生长、迁移、侵袭、血管生成等过程发挥重要作用。通过MSC-EXO合理进行修饰, 对肿瘤进行靶向治疗已经获得初步认识, 随着对MSC-EXO研究的深入, 以及对外泌体提取、分离和药物装载方法的完善与提高, 外泌体对肿瘤的靶向治疗, 可能在未来癌症治疗中发挥重要作用。