The role, mechanism and application of mesenchymal stem cell (MSC) exosomes in the repair of female reproductive system

[Abstract] Exosomes, a class of small membrane vesicles with a diameter of 30-150nm and containing complex RNA and proteins, are naturally found in body fluids. Exosomes can be secreted by all cell types in culture. Exosomes secreted by mesenchymal stem cells (MSC) can promote the regeneration and repair of damaged tissues by regulating the level of related genes in damaged cells. In recent years, with the continuous development of bioengineering technology, the research of MSC-derived exosomes in the field of obstetrics and gynecology has gradually started. Therefore, this paper reviewed the application, role and mechanism of MSC exosomes in the repair of female reproductive system by reviewing relevant literatures at home and abroad, providing strong theoretical support for the treatment prospects of female reproductive system diseases.

[Key words] mesenchymal stem cells; Exosome; Repair of the female reproductive system; review

间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSC）作为人体内天然存在的一种多能干细胞，不仅存在于骨髓中，还广泛分布于骨骼肌、脂肪及脐带等组织中，不仅具有十分广泛的组织分化类型，且其本身具有的自我更新及多向分化能力使得MSC在临床中具有广泛的应用途径^[1-2]。但随着研究的不断深入，有学者指出MSC所发挥的修复及再生组织的能力不是基于其本身的增殖与分化，而是基于MSC旁分泌作用实现的，而外泌体作为MSC所分泌一类极为重要的旁分泌因子，在大量的研究中不断被证实其在MSC修复、促进组织再生的过程中起着不可替代的关键作用^[3-4]。

随着研究进行，学者发现相比于传统细胞，MSC外泌体具有更加稳定、更易保存、易提取且低致肿瘤风险的特征，因此在临床中广泛应用于缺血性卒中^[5]、骨关节炎^[6]、皮肤再生^[7]等多种疾病的治疗，也是目前无细胞治疗策略的新希望。近年来，MSC外泌体的治疗领域不断向着女性生殖系统疾病发展，也为卵巢功能不全^[8]、卵巢癌^[9]疾病的诊断及治疗提供了新的方向。因此本文通过查阅国内外相关文献，以MSC外泌体的研究现状及生物学特性为基础，对其在女性生殖系统疾病治疗中的应用及相关机制做一综述，为该类疾病提供安全、有效的治疗手段奠定文献理论基础。

1  MSC外泌体的生物学特性及国内外研究现状

国外学者Arabpour M^[10]表示，MSC作为一种多能细胞，但其对炎症疾病的治疗均是由旁分泌的外泌体所完成的，MSC外泌体作为一组直径为30-150nm的膜外小泡，能够携带大量的信息并将其引入受体细胞，从而发挥各种生物学效应。而在Vakhshiteh F^[11]的研究中详细描述了MSC外泌体的结构、含量及发生机制，该学者表示外泌体作为由蛋白质、mRNA及脂质双层膜下包围的非编码miRNA组成的细胞外囊泡，能够传递功能性抗原呈递复合物，其发生过程主要包括4个阶段：初始、内吞、多泡体发育及释放，通过一系列膜融合及内吞作用从而被靶组织吸收，进而转移到溶酶体中继续降解或在受体细胞内释放其所运载的货物。Nikfarjam S^[12]也同样表示MSC的多效作用与其分化能力无关，而是由可溶性旁分泌因子的分泌介导的，外泌体作为这些旁分泌介质之一，能够将功能性货物如miRNA和mRNA分子、多肽、蛋白质、细胞因子和脂质等从MSC转移到受体细胞，外泌体参与细胞间通讯事件，并促进受损组织的修复及再生。

不仅是国外，国内也有众多学者论述了MSC外泌体的相关研究，如俞佳丽^[13]表示MSC来源的外泌体内含丰富的蛋白质、脂质、miRNA及非编码RNA，作为细胞信息交换的重要媒介，与特定受体结合后释放的内容物诱导受体细胞发生一系列的生物学变化，该学者在研究中就阐述了MSC外泌体能够通过这一过程从而参与心肌梗死患者心脏功能恢复的相关应用及机制分析。另外李苏亚^[14]表示MSC源外泌体能够与靶细胞的质膜直接融合或被靶细胞内吞从而向其他组织及细胞传递信息，进而调节生物体内的抗原呈递、器官发育、免疫反应等生物学进程，并进一步在研究中论述了MSC外泌体在神经系统疾病中的应用及机制研究。从以上国内外不同学者的研究中均能看出其对MSC外泌体的结构、特征及发生机制的认知均具有一致性，说明MSC外泌体的功能及临床应用效果在不同疾病中已得到证实。因此本研究同样基于MSC外泌体的结构、特征及发生机制对其在女性生殖系统疾病中的应用及作用机制进行如下分析论述。

2  MSC外泌体在女性生殖系统中的应用及机制分析

2.1 MSC外泌体与卵巢早衰（POF）

卵巢早衰（premature ovarian failure，POF）目前发病机制不明，遗传因素及免疫缺陷是目前临床最受关注的病因，多通过全身性激素进行治疗，虽在一定程度上能够改善POF症状，但对患者长期的健康会造成较大损害^[15]。马丽丽^[16]表示MSC分泌的外泌体具有减轻人体组织损伤程度，并促进受损组织修复的重要作用，或许也能够起到一定的卵巢修复作用。因此该学者通过构建POF大鼠模型，并观察MSC外泌体的治疗效果，从实验结果来看，移植MSC外泌体后，大鼠的性激素水平明显得到改善，卵泡数目增加，卵巢功能有所上升，其内在机制主要是通过调控凋亡相关蛋白从而加速了卵巢功能的恢复。Yang M^[17]通过研究发现骨髓MSC来源的外泌体能够稳定POF大鼠的发情周期，改善血清性激素水平，其主要是通过传递miR-144-5p阻止大鼠卵泡闭锁，并能够直接靶向影响PTEN。而PTEN作为参与环磷酰胺损伤颗粒细胞凋亡的一类蛋白质，能够通过负反馈调节P13K/AKT信号通路从而诱导细胞在G₁期凋亡或停滞，因此由MSC来源的外泌体携带miR-144-5p通过PTEN/P13K/AKT轴有效保留卵泡，从而逐渐恢复卵巢功能。Zhang Q^[18]的体外实验表明MSC外泌体能够增加卵泡数量并改善卵巢功能，其主要是通过抑制颗粒细胞凋亡，从而避免卵巢血管受损，同时MSC外泌体中大量富集的miRNA存在于磷脂酰肌醇信号通路及凋亡通路中，从而通过转移miR-1246等miRNA来恢复卵巢功能。

以上学者的研究均能够证实，在大量的体外研究中，MSC主要通过携带miRNAs调控卵巢功能从而改善POF。

2.2 MSC外泌体与卵巢癌

卵巢癌作为发于卵巢的恶性肿瘤性疾病，目前临床中认为其发病大多与遗传、激素等因素具有密切联系，而MSC外泌体治疗也逐渐成为卵巢癌治疗的新希望。He L^[19]研究中显示在肿瘤转移的过程中，血管生成作为极为重要的一个参与过程，能够通过提供氧气、营养物质促进肿瘤细胞的转移，而阻断外泌体miRNA负载、转运可能是治疗卵巢癌的有效方式，其内在机制主要是MSC外泌体负载的miR-205通过调节PTEN/AKT信号通路促进血管生成。因此阻断外泌体运载miR-205或许能够作为卵巢癌的潜在治疗思路。还有学者指出外泌体能够作为miRNA及药物转移的有效生物载体，能够将化疗药物通过MSC外泌体进行传递从而增强疗效及靶向性，进一步证实了外泌体能够作为一种新型给药途径投入卵巢癌的治疗过程中^[20]。但MSC外泌体与卵巢癌预后转移、免疫及微环境的研究相对较少，因此MSC外泌体与卵巢癌的发生发展还需更多的基础研究进一步论证。

2.3 MSC外泌体与多囊卵巢综合征（PCOS）

多囊卵巢综合征（polycystic ovarian syndrome，PCOS）作为育龄期女性常见的生殖系统疾病之一，目前发病机制不明，但众多学者赞同其与氧化应激^[21]、胰岛素抵抗^[22]等机制具有密切联系。刘辉^[23]就在研究中表示MSC外泌体能够通过运载miR-184调控PCOS的发展过程，miR-184在卵巢颗粒细胞及外泌体中呈显著高表达，由于miR-184参与了类固醇生成、卵泡成熟等生理过程，因此外泌体通过c-JNK通路运载的高表达的miR-184进一步促进了卵巢颗粒细胞的增殖，而抑制外泌体中运载miR-184的作用能够降低卵巢颗粒细胞增殖及克隆能力，或许能够作为临床治疗PCOS的潜在靶点。而Cao M^[24]的研究则从另一角度论述了MSC外泌体对卵巢的保护作用，该学者在大鼠实验中表示MSC外泌体能够通过调控代谢紊乱改善PCOS，进而提高生育能力，其内在机制主要是用过外泌体运载miR-21-5p至PCOS大鼠肝脏，对B细胞易位基因表达产生抑制作用进而活化IRS1/AKT通路，增加肝脏代谢能力，从而恢复PCOS大鼠的葡萄糖稳态，从而为改善PCOS提供了条件。Zhao Y^[25]在研究中表示MSC外泌体通过调控炎症反应从而缓解PCOS，其主要由于携带miR-27b的外泌体通过灭活NF-κB信号通路降低促炎基因的表达，抑制卵巢细胞凋亡的同时促进孕激素的产生，从而改善PCOS卵巢颗粒细胞炎症，起到改善PCOS的作用。

2.4 MSC外泌体与宫腔粘连

宫腔粘连作为由多种因素导致的子宫内膜损伤从而引发宫腔闭塞的一类疾病，具体病因不明，可能与子宫内膜创伤、感染、性激素水平过低等具有一定关系^[26]。在王雪^[27]的研究中，将MSC外泌体悬液注入损伤模型的兔子宫体内，模型宫腔粘连在4周后显著减轻，子宫内膜间质纤维化面积减少，其主要机制是由于MSC来源的外泌体在迁移至受损部位时，通过模仿亲代干细胞的表型从而向着子宫内膜干细胞方向分化，发挥促进细胞增殖的作用，从而帮助子宫内膜组织增生、修复。Yao Y^[28]则是证明了MSC源外泌体在改善宫腔粘连的临床治疗中表现出了巨大潜力，该学者首先表示上皮间质转化（EMT）在宫腔粘连的发生中起主要作用，其通过TGF-β/Smad信号通路实现子宫内膜纤维化，因此TGF-β1是诱导EMT的主要因素之一，可以促进成纤维细胞和炎性细胞的聚集，以及胶原蛋白和纤维蛋白的合成，而MSC外泌体有利于细胞间蛋白-蛋白相互作用，直接或间接介导TGF-β/Smad信号通路逆转EMT，从而缓解宫腔粘连。

从MSC外泌体在女性不同生殖系统疾病中的研究中能够看出，MSC外泌体在促进疾病发展和治疗疾病中均起着不同的作用，因此在临床应用中，可以根据患者的个体化需求从而制定不同的靶向治疗方案。

3  总结及展望

MSC外泌体作为能够在细胞间传递信息的一类载体，参与了众多疾病的发生、发展过程并在其中起到重要作用，能够影响细胞生物学行为从而影响疾病发展方向。通过本综述也能够看出MSC外泌体在PCOS、卵巢癌、POF等众多女性生殖系统疾病应用中作为重要的治疗载体，有极大可能成为无细胞治疗的有效候选药物，并作为研究疾病发生机制的重要靶点，为女性生殖系统疾病的诊断及治疗带来新的希望。但目前MSC外泌体在女性生殖系统疾病中的应用还多局限在基础研究中，临床研究相对较少，因此关于MSC外泌体具体的安全剂量及远期临床疗效仍有待进一步研究探讨。

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作者简介：刘志文（1985-7）女，汉族，籍贯：河北省定州市，毕业院校：河北医科大学，学历：硕士研究生，职称：助理研究员,研究方向：生化免疫 干细胞   单位（省市）：河北省生殖健康医院 邮编：050062

通迅作者：王树松（1965-1）男，汉族，学历： 硕士  职称：研究员 研究方向：生育力保存及其影响因素 ，国家卫健委计划生育与优生重点实验室和河北省生殖医学重点实验室主任，主要研究方向为生育力的防护与保存。河北省优秀科技工作者，河北省政府特殊津贴专家，石家庄市管拔尖人才，河北省”333工程”第二层次人才，河北省糖尿病防治协会副会长。承担国家计生委、省科技厅、省计生委和省卫生厅科研项目30多项。发表科研学术论文100多篇，主编学术著作4部，取得省部级科技奖励11项，获河北省科技进步二等奖3项，全国妇幼健康科技成果二等奖1项、河北省科技进步三等奖4项。