近期,来自中国中医科学院望京医院的朱立国教授和展嘉文教授团队在Advanced Healthcare Materials杂志发表了题为“Exercise Mimetic Exosomes Re-establish the Extracellular Matrix Metabolic Balance and Alleviate the Inflammatory Macrophage Infiltration in Intervertebral Disc Degeneration”的科研论文,IF=10.0。

研究背景:

椎间盘退变(Intervertebral Disc Degeneration, IVDD)是引起腰痛的主要原因之一,给社会带来了巨大的经济和健康负担。目前,IVDD的治疗方法主要包括保守治疗(药物和物理疗法)和手术治疗(椎间盘切除术和脊柱融合术),但这些方法通常只能缓解症状,无法从根本上逆转或阻止椎间盘退变的进程。IVDD的病理机制复杂,主要有细胞外基质(ECM)代谢失衡,炎症反应和巨噬细胞浸润与极化。外泌体(Exosomes)是细胞分泌的纳米级囊泡,携带蛋白质、miRNA等生物活性物质,在细胞间通讯中发挥重要作用。近年来,研究发现骨骼肌细胞(SkMCs)在运动后释放的外泌体具有调节代谢、抗炎和促进组织修复的作用,可能对IVDD有治疗潜力。本研究基于IVDD的病理机制和运动的保护作用,创新性地提出利用运动模拟外泌体(EMEs)作为替代疗法,旨在解决患者难以坚持运动的现实问题,并为IVDD的临床治疗提供新策略。

研究成果及意义:

在本研究中,作者首先通过诱导多能干细胞(iPSCs)分化为肌管细胞(iMyotubes),肌管细胞在静止或模拟运动条件下培养48小时,超离得到静态条件下产生的外泌体(EXOs)和运动模拟外泌体(EMEs)。并通过透射电子显微镜(TEM)、动态光散射(DLS)和WB实验等技术对EXOs和EMEs进行表征,结果表明EMEs和EXOs在大小和形态上相似,但EMEs的产量更高,且富含运动诱导的鸢尾素(irisin)。随后作者进行了体外和体内实验,结果表明注射EMEs不会引起炎症反应和巨噬细胞浸润,但EMEs可以被退变的髓核细胞(NPCs)和巨噬细胞摄取。为了研究EMEs对IVDD患者细胞外基质(ECM)代谢的影响,作者用脂多糖(LPS)刺激NPCs,模拟IVDD中的炎症环境,然后将EMEs与退变的NPCs共孵育,观察其能否逆转ECM代谢失衡并抑制NF-KB炎症通路。结果显示EMEs能够恢复dNPCs中ECM的代谢平衡,抑制MMP13和ADAMTS5的表达,同时抑制NF-KB的激活,减少炎症因子的分泌。为了研究EMEs对巨噬细胞极化的影响,作者用dNPCs的条件培养基(CM)处理巨噬细胞,与EMEs共孵育48小时后使用免疫荧光染色评估巨噬细胞极化。结果表明EMEs能够抑制dNPCs诱导的M1型巨噬细胞极化,并促进M2型极化,减少炎症反应。为了进一步验证EMEs逆转IVDD的能力,作者构建了大鼠体内穿刺诱导的退行性变模型来评估EMEs的治疗效果。结果发现在穿刺诱导的IVDD大鼠模型中,EMEs治疗显著改善了IVDD的退变,增加了T2信号,减少了炎症细胞浸润,改善了组织学特征,并减轻了机械性疼痛。

综上所述,作者认为EMEs通过恢复ECM代谢平衡和减轻炎症浸润,在IVDD治疗中表现出显著疗效;EMEs的治疗效果是通过其携带的鸢尾素实现,鸢尾素在调节NPCs和巨噬细胞行为中起关键作用;EMEs可能作为一种新型的运动模拟疗法,为IVDD及其他肌肉骨骼疾病的治疗提供新的策略。

该研究中使用本公司的特级胎牛血清(货号:UR50100)培养原代髓核细胞(NPCs),模拟人体NPCs的生理状态,然后通过超速离心提取肌管细胞衍生的运动模拟外泌体(EMEs),将EMEs与退变的NPCs共培养,观察其能否逆转ECM代谢失衡并抑制NF-KB炎症通路。结果符合各检测指标要求,满足了客户下游实验需求。

参考文献:

Exercise Mimetic Exosomes Re-establish the Extracellular Matrix Metabolic Balance and Alleviate the Inflammatory Macrophage Infiltration in Intervertebral Disc Degeneration. Advanced Healthcare Materials. 2025 May 19;14(20):e2500219.