基于间充质干细胞外泌体实现骨质疏松症的骨靶向“精准”治疗

The transplantation of mesenchymal stem cells (MSCs) is one of the most important strategies in the treatment of osteoporosis, and MSCs perform biological functions by secreting exosomes (MSC-EX). MSC-EX, nanoscale vesicles naturally secreted by endogenous cells, modulates the function of the target cells mainly through delivering specific miRNAs. Besides of biological functions, MSC-EX also represent an ideal natural drug carrier, which can be genetically modified to purposefully regulate the function and achieve effective treatment of diseases. . Based on previous studies on bone target and drug delivery, this project aims to transform induced pluripotent stem cell-derived mesenchymal stem cells by the bioengineering method so that the secreted EX (iMSC-Ex) have polypeptide (AspSerSer)6 in membrane surface for bone target, while loading specific functional miRNAs, called (AspSerSer)6-iMSC-EX@miRNAs. This complex can give full play to the therapeutic and transport functions of MSC-EX while targeting bone, and provide a new strategy and method for bone-targeted therapy of osteoporosis.

间充质干细胞(MSCs)系统移植是治疗骨质疏松(OP)的重要策略之一，MSCs通过分泌纳米级生物囊泡---外泌体(MSC-Ex)发挥生物学作用。MSC-Ex主要通过传递特定miRNA调控靶细胞功能。前期研究发现，MSC-Ex不仅自身具有治疗功能，还是理想的天然药物载体，对其进行适当的基因改造，调控其功能，可实现有效治疗疾病的目的。. 能否通过对外泌体的功能化改造，使其成为治疗OP的骨靶向生物纳米递送体呢？本项目拟在前期骨靶向及纳米递送等系列研究基础上，利用基因工程技术对人诱导多能干细胞来源的间充质干细胞(iMSCs)进行改造，使其分泌的iMSC-Ex表面过表达一种骨靶向多肽(AspSerSer)6，同时装载特定功能性miRNA（对抗骨质疏松）。在充分发挥MSC-Ex治疗及运输功能的同时，实现miRNA在骨髓微环境的靶向聚积，为OP的"精准"治疗提供新的策略和方法。

项目背景：骨质疏松症发病机制复杂，涉及骨重建、骨重吸收和骨髓微环境血管形成等多个方面。目前的常用药物仅能针对单个致病因素，且无法有效蓄积于骨组织，不但疗效差，而且会对非骨组织或器官造成毒副作用。因此，寻找能够覆盖骨质疏松多重发病机制且能特异性作用于骨组织的骨靶向药物具有重要意义。.主要研究内容：将iPSCs 通过诱导分化试剂盒定向分化为MSCs，并大量扩增培养，利用超高速-差速离心法提取其外泌体，利用DSPE-PEG将成骨细胞靶向肽SDSSD铆接在外泌体膜表面，得到骨靶向外泌体BT-Exo，通过电穿孔方法将siShn3载入BT-Exo，构建BT-Exo-siShn3骨靶向工程化外泌体。通过第二代高通量测序技术测定其miRNA表达谱；利用流式细胞术、共聚焦显微镜、生物活体成像技术和组织切片评价BT-Exo-siShn3在体内外对成骨细胞的靶向性；通过茜素红染色、ALP活性分析和免疫荧光染色评价其对成骨分化的影响，通过管腔形成实验评价其对血管形成的影响，通过TRAP染色和F-actin染色评价其对破骨细胞形成的影响；利用卵巢切除法构建小鼠骨质疏松模型，评价 BT-Exo-siShn3对骨质疏松症的治疗效果。.重要结果及关键数据：本研究利用了iPSCs来源细胞成功构建了骨靶向工程化外泌体BT-Exo-siShn3，这种骨靶向工程化外泌体具有良好的生物安全性、稳定性和对成骨细胞的靶向性，且其本身携带有大量的对骨质疏松症具有潜在治疗效果的内源性miRNA。体外机制实验表明，BT-Exo-siShn3对成骨分化和血管形成具有明显促进作用，且对破骨细胞形成具有强烈抑制效果。动物实验表明， BT-Exo-siShn3能够促进去卵巢骨质疏松小鼠模型的骨再生、抑制体内破骨细胞活性并促进骨组织H型血管生成。.科学意义：本项目成功地构建了一种骨靶向工程化外泌体，能将针对Shn3的小干扰RNA特异性递送到成骨细胞，具有促进成骨分化、抑制破骨细胞形成和促进H型血管形成的多重功效，为骨质疏松的治疗提供了新的方案。