骨质疏松症（Osteoporosis，OP）是一种全身性骨病，其特征是骨微观结构破坏和骨密度降低。目前治疗OP的药物缺乏骨靶向能力，生物利用度低且具有长期毒性。因此，迫切需要开发一种新的靶向治疗策略。肠道微生物在OP的发病机制中起着不可或缺的作用，然而微生物与骨骼的通讯可能不涉及直接的细胞接触。细菌外囊泡（Bacterial extracellular vesicles，BEV）具有独特的纳米尺寸结构、稳定的负载能力、良好的生物相容性，可以通过调节宿主信号通路或将生物活性物质输送到宿主细胞中来调节骨骼功能。此外，由于细菌的快速繁殖能力、成熟的高密度培养技术和丰富的合成生物学工具使得BEV易于修饰和工业化，成为一种有前途的药物递送载体。因此，定制BEVs有望成为当前治疗OP的潜在方法。
2023年10月19日，上海交通大学医学院附属新华医院苏佳灿教授研究团队在中科院1区杂志Composites Part B-Engineering（IF: 13.1）上发表了题为“Bone-targeted engineered bacterial extracellular vesicles delivering miRNA to treat osteoporosis”的研究性文章（2023 December; 267: 111047）。基于课题组前期提出的骨靶向生物材料与“三位一体”骨修复理念，苏佳灿教授团改造益生菌Lactobacillus rhamnosus GG (LGG)，构建了能够将内源性miRNA递送到骨微环境的骨靶向工程益生菌EVs（BT-LGG-EVs）用于OP治疗（示意图）。新型BT-LGG-EVs利用固有的成骨和破骨细胞抑制miRNA来增强治疗效果。BT-LGG-EVs表现出较强的体内骨靶向能力，无明显毒性。此外，BT-LGG-EVs在体外显著促进成骨并抑制破骨细胞形成。最后，BT-LGG-EVs显著改善绝经后骨质疏松小鼠的骨质流失。这项研究为基于BEVs的新型肠骨轴提供了有力的证据，为益生菌或其功能性EVs在OP治疗中的应用奠定了坚实的基础。
示意图：工程化BT-LGG-EVs的构建和抗骨质疏松机制
苏佳灿教授研究团队利用细胞外囊泡在治疗骨与关节退行性疾病领域中具有丰富的研究经验，已经发表了多篇细胞外囊泡相关的高水平论文（Nano Lett, 2019, 19, 3040-3048, IF: 10.8；Bioact Mater, 2021, 6 2905-2913, IF: 18.9；Nano Today, 2022, 44, 101487, IF: 17.4；Cell Rep Med, 2023, 4, 100881, IF: 14.3等）。但动物来源的细胞外囊泡存在一些局限性，例如改造难，产量低，产业化难等。针对这一痛点，苏佳灿教授团队近年来着力于研究细菌外囊泡领域。细菌具有快速增殖的能力、完善的基因编辑工具和成熟的高密度培养技术等优势，基于BEVs的治疗是一个有前途的战略，可以克服与哺乳动物细胞外囊泡和其他合成纳米材料有关的大规模生产问题。合成生物学的进步也使得定制化多功能的BEVs成为可能。目前，苏佳灿教授团队已经确定了BEVs的高效分离方法，并总结和展望了BEVs作为药物递送载体在疾病中的优势与挑战（Han Liu et al. Bioact Mater, 2022, 14, 169-181，IF: 18.9，ESI高被引文章）；系统性比较了BEVs与外泌体的机制、提取、工程化改造策略及应用的差异，重点介绍了两者在组织工程中靶向治疗的应用（Han Liu et al. Extracell Vesicles Circ Nucleic Acids, 2022, 3, 63-86, 封面文章）；创新性地提出了基于合成生物学的BEVs定制化方法，为骨与中枢神经退行性疾病的治疗提供了全新的见解（Han Liu et al. Chem Eng J, 2022，450, 4, 138309，IF: 15.1；Ning Ji et al. J Control Release, https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2023.10.027, IF: 10.8）；基于合成生物学手段构建了兼具骨靶向与骨治疗能力的工程化BEVs-CXCR4 SOST siRNA (Han Liu et al. Compos Part B Eng, 2023, 255, 110610. IF:13.1)；发现系统介绍了BEVs的生物发生机制、分离纯化方法与内化机制，全面总结了BEVs在肿瘤治疗中的宿主来源与应用策略，展望了BEVs在骨与软组织肿瘤的治疗潜力及其优势与挑战（Han Liu et al. Theranostics. 2022. 12 (15): 6576-6594. IF:12.4，封面文章）。这些积累为工程化细菌外囊泡用于骨质疏松症的治疗奠定了夯实的基础。
除此之外，植物具有安全性高、来源广泛、产量高、免疫原性低等优势，基于植物细胞外囊泡（Plant extracellular vesicles，PEVs）的治疗也可以克服与哺乳动物细胞外囊泡和其他合成纳米材料有关的大规模生产问题，其独特的结肠和肝脏靶向性也为其在临床上的应用开拓新的领域（Ruina Han et al. Nano Res. 2023, IF：9.9）。此外，类器官细胞外囊泡（Organoid extracellular vesicles，OEVs）是三维培养的哺乳动物细胞外囊泡，具有更多的数量以及更接近体内代谢微环境，苏佳灿教授团队首次提出了类器官细胞外囊泡（OEVs）的概念，利用类器官及OEVs来治疗复杂性疾病（Han Liu et al, Chem Eng J 2023, 465, 142842, IF:15.1; Han Liu et al, Interdisciplinary Medicine. 2023, e20230011）
上海交通大学医学院附属新华医院骨科苏佳灿教授、上海市第六人民医院施忠民教授、上海大学张浩博士后和暨南大学附属第一医院张文财为文章的共同通讯作者，上海大学刘晗副研究员、吴琰博士后、汪拂晓博士、王思成博士为文章的并列第一作者。
参考文献：
Bone-targeted engineered bacterial extracellular vesicles delivering miRNA to treat osteoporosis. Composites Part B: Engineering 2023. 267: 111047.
外泌体资讯网 COMPOS PART B-ENG | 苏佳灿/施忠民/张浩/张文财：骨靶向工程化益生菌外囊泡递送miRNA改善骨质疏松症
