克服皮肤的障碍：外泌体疗法

外泌体是具有脂质双层结构的纳米级货物，携带多种生物分子，包括脂质、蛋白质和核酸。这些小囊泡由大多数类型的细胞分泌以相互交流。由于外泌体通过体液循环，因此它们不仅可以将信息传递给自体细胞，还可以将信息传递给远程细胞。因此，外泌体被认为是各种治疗的潜在生物标志物。最近，研究表明外泌体在衰老、特应性皮炎和伤口等皮肤缺陷方面的功效。此外，外泌体因其天然无副作用的特性，正在研究用作商业化皮肤护理产品的成分。

背景

在 2000 年代初期，间充质干细胞疗法已成为治疗各种缺陷和疾病的替代方法。间充质干细胞 (MSCs) 被广泛用于临床试验，不仅因为它们的多能性，而且还因为其易于从各种成人组织（如皮肤、胎盘、脐带血、脐带组织、脂肪组织、牙髓）中获取、扩增和分离、睾丸和大脑。

此外，几项研究表明，MSCs 本身并不参与治疗过程 。注射到缺陷部位的干细胞显示出低细胞活力和低数量的细胞倾向于与宿主组织中的受体细胞融合。相反，最近的研究表明，MSCs 的治疗功效是通过释放生物分子而有益的。这些生物活性因子以微米到纳米级颗粒的形式被细胞分泌，称为细胞外囊泡 (EV)。

Exosome

EV 包含脂质、蛋白质和核酸形式的信号，这些信号可以在参与调节生理和病理活动的细胞之间进行交换。根据粒子的大小，EV 可分为外泌体（40 至 100 nm）、微泡（150 至 1000 nm）和凋亡小体（> 1000 nm）。此外，释放机制不同，其中微泡直接从细胞膜释放，而外泌体通过多泡体 (MVB) 和质膜的融合释放。在这篇综述中，我们将关注 EV 中的较小颗粒，即外泌体。

治疗应用的外泌体

对于外泌体在治疗应用中的应用，高提取效率和高质量外泌体的大规模生产至关重要。为了实现这一点，上游（细胞培养）和下游（分离）制造过程非常重要。

外泌体的大规模生产强烈依赖于细胞培养技术。当前的放大制造系统基于二维细胞培养方法，包括多层培养工艺。各种研究表明，与基于 2D 的培养相比，基于 3D 的细胞培养可增加颗粒数量并提高质量。此外，其他研究还表明，外泌体的再生作用被发现具有剂量依赖性

由于外泌体的各种好处，外泌体已广泛用于各种治疗应用。外泌体本质上具有携带包括蛋白质、DNA 和 RNA 在内的生物分子的能力。因此，根据细胞类型，我们可以获得具有不同治疗能力的外泌体。例如，心脏祖细胞分泌的外泌体阻止心肌细胞对抗氧化应激相关的细胞凋亡 。另一项研究表明，真皮乳头细胞衍生的外泌体促进了毛囊的发育。

此外，外泌体可以作为药物递送系统（DDS）的货物。外泌体具有极低的免疫原性和高血液相容性。外泌体的精确靶向是有利于在 DDS 中使用的另一个优势。此外，它们在体液中高度稳定，很容易与受体细胞融合。最后，可以将外源药物加载到外泌体中以针对特定疾病。由于这些原因，外泌体已显示出其在治疗各种疾病方面的潜力。

皮肤组织

皮肤是人体最大的器官，充当外部和内部环境之间的保护屏障。这种感觉器官还负责调节体温和向环境中释放湿气。皮肤厚度因身体部位而异，例如眼睛下方、手掌、上背部等。从解剖学的角度来看，人体皮肤具有由三层组成的复杂结构：表皮、真皮和皮下组织。

皮肤治疗的必要性

随着生活的进步，皮肤的物理变化是证明机体衰老的第一个观察结果。自古以来，人们就努力通过抗衰老治疗来改善皮肤质量。在当今，皮肤是提升自尊和自我一致性的社交生活中的重要组成部分。

因此，化妆品和医美行业已经引入了各种抗衰老治疗。皮肤老化由外在（环境方面：紫外线照射、空气污染、吸烟和营养缺乏）和内在（细胞和荷尔蒙变化）因素决定，导致功能和再生潜力的丧失。

尤其是皮肤内在老化是一个时间依赖性和不可避免的过程。损害皮肤的因素之一是活性氧 (ROS) 的形成，它会加速皮肤的老化过程。

结果，表皮层由于角质形成细胞萎缩而变薄。这会导致水分流失，从而增加皮肤的干燥和粗糙 。另一个因素是端粒磨损加速，端粒缩短，导致皮肤老化。端粒是保护染色体末端的蛋白质-DNA 结构，避免末端 DNA 序列的丢失。随着端粒随着时间的推移而缩短，细胞会衰老。

细胞衰老会引起皮肤不同层的变化，加剧皮肤老化。然而，阻止端粒缩短可能会产生严重的后果，例如癌症的形成 。此外，包括胶原蛋白和弹性蛋白在内的细胞外基质 (ECM) 成分由于基质金属蛋白酶 (MMP) 表达增加而减少，导致结构完整性丧失（拉伸强度和弹性降低）。相应地，真皮和表皮之间的连接减少导致皮肤变薄。因此，在老化的皮肤中观察到皱纹的形成。所有这些因素都会逐渐改变皮肤的细胞内环境，导致皮肤形态发生变化。

老化前后的皮肤结构

特应性皮炎

特应性皮炎 (AD) 是儿童最常见的炎症性皮肤病之一，其中 AD 的主要症状是瘙痒，可引起焦虑、抑郁或社交回避，从而影响生活质量。此外，AD 会增加患其他疾病的风险，包括过敏性鼻炎或哮喘。

AD的主要原因被认为是皮肤屏障和免疫反应的功能障碍。简而言之，AD 中 T 辅助 (Th) 淋巴细胞 2 反应的优势通过表达包括白细胞介素 (IL)-4 和 IL-13 在内的细胞因子来启动屏障功能的破坏和免疫功能障碍 。

具体而言，关键的炎性细胞因子 IL-4 和 IL-13 负责下调参与表皮屏障形成的丝聚蛋白 (FLG) 表达。这会导致过敏反应增加。Th2 表达的另一种细胞因子是与瘙痒的发生相关的 IL-31。

这种细胞因子可以与神经元上的同源受体结合，并通过 Janus 激酶 (JAK) 信号转导和转录激活剂 (STAT) 通路激活瘙痒感觉神经元。抓挠会加剧过敏反应，导致 IL-17 和 IL-22 的表达，IL-17 和 IL-22 分别被认为是 Th17 和 Th22 表皮过度增殖的主要驱动因素。最终，该过程加剧并发展为慢性状态，即牛皮癣。到目前为止，还没有开发出有效的 AD 治疗方法。

皮肤具有自我修复能力，能够通过一系列事件来治愈伤口：（1）体内平衡，（2）炎症，（3）增殖和（4）组织重塑。这是一个连续过程，直到它被中断、异常或延长导致伤口愈合延迟或慢性伤口形成。

该过程均始于第一阶段的稳态，其特征是伤口部位的血管收缩和纤维蛋白凝块形成。这一步的目的是防止放血，保护血管系统。之后，伤口愈合相关分子（转化生长因子 (TGF)-β、血小板衍生生长因子 (PDGF)、成纤维细胞生长因子 (FGF) 和表皮生长因子 (EGF)）从凝块和周围组织中释放出来，吸引中性粒细胞、巨噬细胞、内皮细胞和成纤维细胞启动炎症反应 。

在下一阶段，包括成纤维细胞和内皮细胞在内的细胞参与胶原蛋白的合成、毛细血管生长支持以及伤口部位肉芽组织的形成。最后，伤口愈合过程经历重塑阶段，其中肉芽组织长成无血管瘢痕。然而，延迟或中断伤口愈合过程会导致皮肤疤痕形成。虽然皮肤修复的机制是众所周知的，但目前还没有明确的治疗方法。

皮肤治疗的重要成分：外泌体

近年来，外泌体对各种皮肤缺陷的影响得到了广泛的研究。外泌体的主要优点是高稳定性、非免疫排斥和对靶细胞的直接刺激。特别是，外泌体中包含的 miRNA 等来调节各种细胞反应 。因此，单一成分（外泌体）可以产生多种治疗效果。

外泌体皮肤再生能力示意图

Schematic representation showing skin regenerative abilities of exosomes

外泌体的再生能力：血管生成能力

随着皮肤老化，会发生各种变化，例如 I 型胶原蛋白含量减少、毛细血管网络紊乱、弹性纤维变性等。这些退行性变化可能导致皮肤组织中的血管结构减少。适当的血管化是健康皮肤的重要组成部分，它为皮肤细胞提供营养供应以维持其活动。因此，可以通过增加血管数量来解决皮肤老化问题。

此外，血管化在伤口愈合中起着重要作用。各种研究已经显示了外泌体的血管生成特性。在一项研究中，在人脐静脉内皮细胞 (HUVEC) 上检查了人脂肪来源的 MSC 分泌的外泌体对血管生成的影响。该研究证明了外泌体中 microRNA (miR-125a) 在血管生成中的潜在作用。miR-125a 的过表达通过靶向 DLL4（Notch 信号通路的配体）增强了 HUVEC 中的血管生成。

在另一项研究中，比较了从年轻和年老志愿者中分离的真皮内皮细胞。因此，在老年志愿者组中，两组中检测到的 miR-100、miR-126 和 miR-223 均显着下调。在这些 microRNA 中，已知 miR-126 参与保护血管和新血管形成。此外，在从人微血管内皮细胞系 (HMEC-1) 提取的外泌体中发现的 miR-214 显示出血管生成潜力。衰老细胞可以从邻近细胞分泌的外泌体中吸收 miR-214 以退出衰老状态。此外，外泌体 miR-214 可以调节血管的形成。

外泌体能够促进胶原蛋白合成

如前所述，由于老化皮肤中的 I 型胶原蛋白和弹性纤维断裂，真皮层会受损。因此，重建真皮结构可能会导致皮肤的抗衰老和伤口愈合。已知 MiR-21 可促进皮肤伤口愈合中的角质形成细胞迁移和再上皮化 。

另一项研究表明，miR-21 增强了伤口收缩和胶原蛋白沉积 。例如，来自人类真皮成纤维细胞球体的外泌体被评估用于抗衰老目的。在这项研究中，外泌体在 UVB 照射的裸鼠上进行了测试。

外泌体处理组显示出增强的胶原蛋白合成和减少的 MMP-1 产生。具体而言，调节 MMP 抑制的 TIMP-1 和 TGF-β 被上调，而 miR-196a 被下调导致胶原合成增加。此外，在外泌体处理后，由于 UVB 照射引起的深而宽的皱纹变得更浅更薄。源自人脐带血间充质干细胞 (UCB-MSC) 的外泌体对皮肤再生的影响 ，在外泌体中检测到的各种生长因子中，发现 EGF 的浓度更高。当人真皮成纤维细胞 (HDF) 暴露于外泌体时，胶原蛋白和弹性蛋白的产生得到增强。因此，UCB-MSCs 衍生的外泌体可用于重建真皮层。

调节炎症

AD是一种由皮肤屏障缺陷引起的炎症性皮肤病。外泌体可用作治疗 AD 的治疗成分。 科学家研究了脂肪组织来源的间充质干细胞 (ASC) 来源的外泌体对 AD 治疗的影响。ASC-外泌体在小鼠 AD 模型中下调炎症细胞因子的表达，如 IL-4、IL-23、IL-31 和 TNF-α。

因此，在小鼠模型中以剂量依赖性方式观察到 AD 症状减轻。另一项研究表明，MSC 衍生的外泌体具有平衡 Th1 和 Th2 并抑制局部炎症反应的能力，可以缓解 AD 症状。由于免疫平衡是 AD 的关键因素，研究人员研究了在银屑病患者中高度表达的 miR-210 的作用 。他们在他们的研究中报告说，miR-210 诱导 Th17 和 Th1 细胞分化，同时抑制 STAT6 和 LYN 基因表达导致抑制 Th2 分化。这表明有助于银屑病的免疫平衡。

结论

在再生医学领域，外泌体成为 MSC 的有益替代品。这些潜在的纳米载体表现出各种皮肤治疗的治疗特性。对外泌体的好奇心成为了进步和发展的动力。从那时起，已经发表了数千项研究，并且正在研究外泌体以用于商业化目的。

外泌体具有多种有益于皮肤组织再生的能力：（1）血管生成能力，（2）胶原蛋白合成，以及（3）炎症调节。使用外泌体作为成分，可以克服目前皮肤治疗的局限性。此外，这些迷人的生物材料可以整合到癌症治疗和疫苗等各个领域。希望外泌体能在不久的将来为治疗各种疾病和癌症提供一个新的平台。