科学揭秘：干细胞外泌体如何修复人体受损的皮肤？
本文首发自博雅干细胞
作者：上海大学 Dr.ZHU
专家审核：江苏大学附属医院 李晶 教授
皮肤是一个复杂的器官，具有重要的身体屏障功能，且很容易受到各种各样的伤害。例如，急性创伤是由外伤或手术切口引起、慢性皮肤创伤是糖尿病常见的并发症，急性烧伤、 寒冷、高温、干燥以及紫外线等都会使肌肤屏障受损。
近年来的研究表明干细胞在再生医学中具有巨大的治疗潜力，通过分泌抗炎、抗纤维化和促血管生成活性的因子，如可溶性分子（生长因子、细胞因子）或细胞外囊泡（微粒子、外泌体）等来改善创面愈合过程。除了传统的使用干细胞治疗创伤的方法外，近年来还出现了新的趋势——单独使用干细胞外泌体[1]。
外泌体：“无细胞的细胞治疗”
干细胞外泌体，是一种能被大多数干细胞分泌的微小囊泡，直径大约在30-150nm，由脂质、蛋白质和核酸组成。外泌体一旦通过胞吐作用从干细胞中释放，复杂的混合因子能作为信号分子传递给其他细胞，从而改变其他细胞的功能。
外泌体被包裹在坚硬的双层膜中，双层膜保护外泌体的内容物，使外泌体能够在组织中长距离移动。干细胞外泌体因在上皮组织的增殖、迁移、再生、炎症和瘢痕控制等方面的作用，有望成为“无细胞的细胞治疗”工具[2]。
已有研究表明外泌体是干细胞旁分泌作用的主要介质，它们的内容物 (mRNA、microRNA、各种抗凋亡和促血管生成因子)被发现可诱导成纤维细胞的迁移和增殖以及胶原的合成。
外泌体在创面愈合各个阶段发挥的作用
皮肤创面愈合是一个复杂而精细的过程，大致可分为三个阶段：炎症期、增殖期和重塑期。
在炎症早期，中性粒细胞是最重要的细胞，负责吞噬和细胞因子的释放来诱发炎症。在炎症后期，巨噬细胞成为主导细胞类型，并起控制炎症的作用。研究发现，间充质干细胞来源的外泌体可促进受体巨噬细胞向抗炎M2表型转变。它们还能调节B淋巴细胞的活化、分化和增殖，并能抑制T淋巴细胞的增殖。
此外，间充质干细胞衍生的外泌体可以将活化的T淋巴细胞转化为T调节表型，从而发挥免疫抑制作用。用脂多糖预处理间充质干细胞释放富含microRNA let-7b的外泌体，当内化时，let-7b可以通过抑制TLR4/NF-κB通路和激活STAT3/ AKT通路调节巨噬细胞极化[3]。
增殖期开始于受伤后第4天，结束于第20天左右，参与增殖阶段的细胞功能是复杂的，以迁移、增殖、细胞外基质沉积和血管生成为标志，通过不同的机制来实现。干细胞外泌体可以改善皮肤细胞（如成纤维细胞和角质形成细胞）的迁移和增殖。此前有报道，来自人脂肪源间充质干细胞的外泌体可以加速真皮成纤维细胞和角质形成细胞的迁移和增殖，并激活AKT通路[4]。
正常的疤痕是伤口愈合的重塑期。然而，过度瘢痕是由肌成纤维细胞产生的胶原蛋白异常和皮肤功能丧失造成的。研究表明，人羊膜干细胞外泌体也可以通过控制细胞外基质的沉积来减少瘢痕，部分原因可能是通过刺激基质金属蛋白酶-1 (MMP-1)实现的[5]。
人脐带干细胞外泌体在小鼠模型中通过抑制TGF-β/SMAD2途径抑制肌成纤维细胞的分化。这些外泌体内容物中含有的MicroRNAs可能是造成肌成纤维细胞分化的重要原因[6]。
外泌体避免皮肤衰老损伤
紫外线损伤和老化会影响细胞外基质胶原蛋白和弹性蛋白，这两者都是防止皮肤脱水以及保持皮肤紧致和弹性的关键。干细胞外泌体在组织修复方面的潜力也引起了人们对其避免衰老损伤能力的兴趣。
从人类胚胎干细胞分化而来的内皮前体细胞的干细胞条件培养基已被用于皮肤再生研究，研究结果发现可以改善女性的皮肤皱纹和皮肤外观[7]。
此外，有报道表明，来自iPSCs的外泌体可以恢复老年人皮肤成纤维细胞的功能，作者报道称，经iPSC外泌体预处理的皮肤成纤维细胞能够抵抗UVB的光老化，并且不会过度表达基质降解酶MMP-1/3，相反，它们会像年轻的成纤维细胞一样高表达I型胶原[8]。
展望
在临床上，干细胞外泌体主要治疗烧伤、烫伤、皮肤溃疡，再生健康皮肤；用在护肤方面，主要是对外伤受损、衰老、中毒皮肤进行修复，全面调理皮肤、改善肤质，令肌肤恢复年轻、健康的状态。
未来，还可以将干细胞来源的外泌体和有机生物材料结合起来，以增强愈合过程。或者通过干细胞与其他类型细胞的共培养，以及利用不同的化学物质或细胞培养基进行基因修饰或预处理来提高干细胞外泌体促进愈合的潜能。另外，通过阐明干细胞外泌体在组织再生中的调控机制，可以制备出具有特定靶点的定制外泌体，用于高效精准医疗。
参考文献
1. Ferreira ADF, Gomes DA (2018) Stem Cell Extracellular Vesicles in Skin Repair. Bioengineering (Basel) 6 (1). doi:10.3390/bioengineering6010004
2. Wu P, Zhang B, Shi H, Qian H, Xu W (2018) MSC-exosome: A novel cell-free therapy for cutaneous regeneration. Cytotherapy 20 (3):291-301. doi:10.1016/j.jcyt.2017.11.002
3. Ti D, Hao H, Tong C, Liu J, Dong L, Zheng J, Zhao Y, Liu H, Fu X, Han W (2015) LPS-preconditioned mesenchymal stromal cells modify macrophage polarization for resolution of chronic inflammation via exosome-shuttled let-7b. J Transl Med 13:308. doi:10.1186/s12967-015-0642-6
4. Ferreira ADF, Cunha PDS, Carregal VM, da Silva PC, de Miranda MC, Kunrath-Lima M, de Melo MIA, Faraco CCF, Barbosa JL, Frezard F, Resende V, Rodrigues MA, de Goes AM, Gomes DA (2017) Extracellular Vesicles from Adipose-Derived Mesenchymal Stem/Stromal Cells Accelerate Migration and Activate AKT Pathway in Human Keratinocytes and Fibroblasts Independently of miR-205 Activity. Stem Cells Int 2017:9841035. doi:10.1155/2017/9841035
5. Zhao B, Zhang Y, Han S, Zhang W, Zhou Q, Guan H, Liu J, Shi J, Su L, Hu D (2017) Exosomes derived from human amniotic epithelial cells accelerate wound healing and inhibit scar formation. J Mol Histol 48 (2):121-132. doi:10.1007/s10735-017-9711-x
6. Hu L, Wang J, Zhou X, Xiong Z, Zhao J, Yu R, Huang F, Zhang H, Chen L (2016) Exosomes derived from human adipose mensenchymal stem cells accelerates cutaneous wound healing via optimizing the characteristics of fibroblasts. Sci Rep 6:32993. doi:10.1038/srep32993
7. Lee HJ, Lee EG, Kang S, Sung JH, Chung HM, Kim DH (2014) Efficacy of microneedling plus human stem cell conditioned medium for skin rejuvenation: a randomized, controlled, blinded split-face study. Ann Dermatol 26 (5):584-591. doi:10.5021/ad.2014.26.5.584
8. Oh M, Lee J, Kim YJ, Rhee WJ, Park JH (2018) Exosomes Derived from Human Induced Pluripotent Stem Cells Ameliorate the Aging of Skin Fibroblasts. Int J Mol Sci 19 (6). doi:10.3390/ijms19061715
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