骨关节炎（OA）是最普遍的退行性软骨疾病，但目前尚无有效的治疗方法来改善软骨分解代谢的失调。OA引发损伤会刺激滑膜细胞和软骨细胞产生炎症细胞因子和基质金属蛋白酶（MMP），其中过表达的MMP13会破坏软骨的细胞外基质（ECM）并恶化疾病进展，研究表明抑制MMP13的表达有助于OA的治疗，但向致密软骨中的软骨细胞提供药物干预是一项巨大挑战。近日香港中文大学夏江教授、东南大学王适之副教授和江苏省人民医院许宏涛医生联合在国际学术期刊Journal of Controlled Release发表题为“Surface functionalization of exosomes for chondrocyte-targeted siRNA delivery and cartilage regeneration”的学术研究论文（2024 Apr 6;369:493-505）。该研究采用制药工业界广泛使用的悬浮293细胞系制备的胞外囊泡（EV，含外泌体）作为递送载体，利用多肽-脂质偶联将软骨细胞亲和肽（CAP）装载到EV表面，并通过电穿孔装载MMP13 siRNA得到具有软骨细胞靶向性的EV，为OA和其他软骨损伤等相关疾病提供了一种潜在的治疗方案。
为了使EV具有软骨细胞靶向性，研究人员首先用半胱氨酸修饰的CAP与DSPE-PEG-MAL反应得到多肽-脂质偶联物，该偶联物可以自发地插入到293细胞来源的胞外囊泡（Exo）上。进一步研究人员通过电穿孔的方法将siMMP13装载到具有靶向能力的EV上成功获得CAP-Exo/siMMP13（图1）。其中，CAP靶向肽的负载效率为58.30%，siRNA在Exos中的装载效率为34.96%，平均每个Exo装载4113±102.6个siRNA分子。图1. CAP-exo/siMMP13的构建及表征随后，研究人员将Exo/siMMP3和CAP-Exo/siMMP3加入到软骨细胞培养环境中，CAP-Exo/siMMP13处理组中，显著观察到FAM和DiI荧光信号，而在Exo/siMMP13处理组中则观察到微弱的FAM和DiI荧光信号（图2）。共聚焦显微镜结果表明，CAP可以引导EV结合并进入软骨细胞，从而提高核酸药物在培养细胞中的递送效果。此外，通过关节内途径将Exo和CAP-Exo注射到大鼠关节，结果表明，CAP-Exo可以延长EV在关节中的保留时间，并且有效地将货物透过致密的软骨输送到软骨细胞中。进一步，研究人员评估了CAP-Exo/siMMP13在OA模型中的治疗效果，采用了前交叉韧带横断（ACLT）方法建立OA大鼠模型，并对OA大鼠进行了不同治疗方案（PBS、透明质酸 、siMMP13、Exo/siMMP13和 CAP-Exo/siMMP13）的处理。结果表明，CAP-Exo/siMMP13处理组软骨中MMP13和COL2A1表达水平相较于PBS均显著降低，在关节软骨病理评分方面也表现出显著降低的效果（图3）。值得注意的是，与 Exo/siMMP13组相比，CAP-Exo/siMMP13组的 MMP13表达进一步降低，COL2A1表达随之增加，这支持了CAP-Exo在递送siMMP13以改善OA进展方面的效率提高。综上，CAP-Exo/siMMP13能够高效递送siRNA至软骨细胞，并且抑制MMP13表达，增加COL2A1表达，同时调节OA关节软骨炎症和增殖相关过程。此外，体内毒性试验表明CAP-Exo/siMMP13对主要器官（包括心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏）的组织学评估显示没有明显的损伤，这表明关节内注射 CAP-Exo/siMMP13是一种很有前景且安全OA治疗策略，同时也强调了脂质插入EV构建核酸治疗靶向递送载体的潜力。同时，本研究使用了广泛应用于制药工业的293细胞系产生的胞外囊泡。这些胞外囊泡具有高产量、低成本和稳定批次等优点，从而提高了工程化胞外囊泡在OA临床转化中的成本效益。香港中文大学夏江教授、东南大学王适之副教授和江苏省人民医院许宏涛医生是论文的共同通讯作者。东南大学张昊博士、颜文静博士和厦门市儿童医院王金辉医生是论文的共同第一作者。夏江教授领导的跨学科团队一直致力于将工程化胞外囊泡用于骨关节炎治疗的临床转化。他们通过尝试不同来源（如免疫细胞、红细胞和293细胞等）和多种制备方法（包括酶修饰、脂质插膜和电转等），多方位探索工程化胞外囊泡对骨关节炎的治疗效果和潜在机制。这一努力旨在为工程化胞外囊泡的临床转化奠定基础。Surface functionalization of exosomes for chondrocyte-targeted siRNA delivery and cartilage regeneration. J Control Release. 2024 Apr 6;369:493-505. doi: 10.1016/j.jconrel.2024.04.009.外泌体资讯网 Journal of Controlled Release |表面功能化的胞外囊泡用于软骨细胞靶向siRNA递送和软骨再生
