骨質疏松是老年人中常見的慢性疾病。據統計，目前全球超過2億人罹患骨質疏松癥，每3秒就有一例骨質疏松性骨折發生。我國50歲以上人群的骨質疏松癥發病率為19.2%。為此，科學家們在尋找方案來逆轉骨質流失。

近日，海軍軍醫大學的蘇佳燦/陳曉研究團隊在《Bioactive Materials》雜志上發表研究成果。他們提出了一種通過在外泌體膜表面展示CXCR4來獲得使其骨靶向骨外泌體的新方法，有望逆轉與年齡相關的骨質流失。
 

研究背景

骨髓間充質干細胞（BMSC）是骨髓脂肪細胞和成骨細胞的祖細胞。BMSC從成骨分化轉變為成脂分化，骨形成受損，是許多病理性骨質流失的特征。抑制成脂分化并促進成骨分化，有望治療骨質疏松癥。

之前的研究發現，隨著年齡的增長，miR-188顯著增加。這種miRNA可調節BMSC的分化命運，促進脂肪生成并抑制骨生成。因此，以miR-188為靶點進行治療可以促進骨形成。然而，大劑量siRNA的全身給藥可能對非骨骼組織產生不利影響。這就突出了骨靶向遞送系統的必要性。

外泌體（exosomes）在藥物遞送方面展示出驚人的潛力。同時，考慮到SDF-1/CXCR4軸在造血干細胞歸巢中發揮重要作用，研究人員假設CXCR4陽性的外泌體可以被招募到骨髓。于是，他們嘗試用CXCR4+外泌體來實現miRNA拮抗劑的骨靶向遞送，以此來逆轉與年齡相關的骨質流失。

CXCR4+外泌體的體內分布

為了驗證這一假設，研究人員通過慢病毒包裝系統將CXCR4基因引入NIH-3T3細胞系，并通過RT-qPCR和免疫熒光證明了CXCR4在NIH-3T3細胞上成功表達。之后，他們從培養上清液中分離出外泌體，并證實CXCR4在外泌體的表面表達。

接下來，為了驗證CXCR4+外泌體具有骨靶向特性，他們開展了體內追蹤實驗。他們用Cy5熒光染料對NIH-3T3細胞和CXCR4+ NIH-3T3細胞的外泌體進行標記，并通過尾靜脈注射到小鼠體內。他們發現，CXCR4+ EXO組小鼠的股骨處存在特異性的染料富集，表明CXCR4+外泌體特異性靶向骨髓（圖1）。據悉，這是第一項通過外泌體膜表面展示CXCR4來使其靶向骨的研究，這為在骨髓中富集外泌體提供了指導。
 

圖1. CXCR4+外泌體的體內分布

雜合納米顆粒的骨靶向特性

之后，研究人員將CXCR4+外泌體與攜帶antagomir-188（miR-188拮抗劑，Cy5標記）的脂質體融合，形成雜合納米顆粒（hybrid NP），并注射到小鼠體內。正如追蹤研究所示，外泌體/脂質體比例為1:1和4:1的雜合納米顆粒可聚集在骨髓中。此外，小鼠股骨中的熒光強度逐漸增加，這表明熒光標記的貨物被捕獲在骨髓中（圖2）。注射48小時后，小鼠的肝腎功能保持穩定，證明納米顆粒在體內沒有細胞毒性。這些結果表明，具有骨靶向特性的CXCR4+雜合納米顆粒被成功構建。
 

圖2. CXCR4+雜合納米顆粒的體內分布

雜合納米顆粒促進成骨分化

并抑制成脂分化

為了進一步研究攜帶antagomir-188的雜合納米顆粒的功效，研究人員在年齡相關性骨質疏松癥小鼠模型上測試了它的效果。他們每周一次向18月齡的老年雄性小鼠靜脈內注射雜合納米顆粒，總共持續8周。與對照相比，經antagomir-188 NP處理的小鼠明顯顯示出明顯更高的骨量保留。

接下來，他們通過蘇木精/伊紅（H&E）染色以及脂肪酸結合蛋白4（FABP4）的免疫組化來探索骨生成和脂肪生成。他們發現，攜帶antagomir-188的雜合納米顆粒降低了骨小梁周圍的骨髓脂肪細胞的數量，并增加了骨襯細胞的數量（圖3）。
 

圖3. 雜合納米顆粒逆轉了與年齡相關的骨質流失

在體外研究中，他們也發現攜帶antagomir-188的雜合納米顆粒可以增加ALP陽性的成骨細胞合成。油紅O染色也證明，在成脂誘導后，antagomir-188 NP抑制了BMSC中的脂質滴形成。在此，研究人員使用了賽業生物的成骨誘導分化培養基和成脂誘導分化培養基。這些結果表明，遞送antagomir-188的骨靶向納米治療劑通過促進BMSC的成骨分化和抑制成脂分化而逆轉與年齡相關的骨質流失。
 

結論

這項研究在外泌體的表面展示了CXCR4，并將其與攜帶antagomir-188的脂質體融合。CXCR4+外泌體-脂質體雜合納米顆粒傾向于在骨髓中聚集并釋放antagomir-188，后者可促進成骨分化并抑制成脂分化，從而逆轉與年齡相關的骨質流失。它提供了一種基于外泌體的骨靶向RNAi遞送策略，有望作為病理性骨質流失的療法。

原文檢索：
Exosome-guided bone targeted delivery of Antagomir-188 as an anabolic therapy for bone loss.

DOI:10.1016/j.bioactmat.2021.02.014.