《Frontiers in Cellular Neuroscience》：The potential mechanisms and regulatory roles of exosomal miRNA in neural repair after spinal cord injury
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本综述系统阐述了外泌体微小核糖核酸（miRNA）作为细胞间通讯关键介质，在脊髓损伤（SCI）后神经修复中的多靶点调控机制。文章重点探讨了外泌体miRNA（如miR-124-3p、miR-338-5p等）通过调控NF-κB、PTEN/PI3K/Akt、ERK1/2/STAT3等信号通路，在抑制神经炎症、神经元凋亡，以及促进轴突再生、血管生成和免疫调节（M2极化）等方面的最新研究进展（2024-2025年），并展望了生物工程化外泌体、生物材料整合等创新策略的临床转化潜力与挑战。
1 Part I: Introduction to spinal cord injury
脊髓损伤（SCI）是一种毁灭性的中枢神经系统疾病，其特征是原发性机械损伤和继发性病理级联反应。这些反应导致持续的感觉和运动功能障碍、巨大的社会经济负担以及有限的治疗效果。每年，全球约有每百万人口10.4至83人遭受SCI困扰，其死亡率和发病率逐年上升。SCI的病理过程分为两个阶段：原发性损伤和继发性损伤。原发性损伤由直接作用于脊髓的机械力引起，导致神经元、轴突和血管的物理破坏。继发性损伤通常发生在数小时至数周内，其病理过程复杂，涵盖出血和血肿形成、炎症反应、缺血缺氧、兴奋性氨基酸的毒性作用、细胞凋亡和胶质瘢痕形成等多个方面。这些继发性反应进一步加剧神经元损伤，导致功能不可逆的丧失。
目前SCI的治疗侧重于通过手术减压、甲基强的松龙极化以及血流动力学管理进行急性稳定，以减轻继发性损伤，同时辅以物理训练和辅助设备等康复疗法以保留剩余功能并预防并发症。新兴的再生方法包括干细胞移植、纳米材料和基因疗法，以促进神经修复。近年来，基于外泌体的RNA疗法因其作为无细胞治疗的潜力而备受关注。
1.1 Epidemiology and pathophysiology of spinal cord injury
SCI后，血管破裂导致出血和血肿形成，压迫神经组织并阻碍血液供应，加重局部缺血缺氧。在炎症反应中，血管内皮细胞的损伤破坏了血脊髓屏障（BSCB），导致炎症细胞渗出和炎症介质释放，同时受损的神经元细胞也释放细胞因子和趋化因子，吸引更多炎症细胞，形成恶性循环。缺血缺氧导致神经细胞能量代谢受损，离子泵功能障碍，细胞内离子超载，导致细胞水肿和破裂。大量兴奋性氨基酸的释放过度激活细胞膜受体，导致钙离子内流和钙依赖性酶激活，破坏细胞结构和功能。多种因素触发的细胞凋亡影响了存活神经细胞的数量。胶质瘢痕具有隔离损伤区域的作用，但过度生长会阻碍神经轴突的再生和延伸。此外，氧化应激在继发性损伤中也扮演重要角色，过量的活性氧（ROS）可引发脂质过氧化、蛋白质变性和DNA损伤，导致细胞凋亡和坏死。
1.2 Current treatments and emerging therapies for spinal cord injury
2024年至2025年的研究表明，源自间充质干细胞（MSCs）和神经干细胞的外泌体可以有效地将治疗性RNA（如miR-21、miR-124-3p和miR-145-5p）穿过BSCB递送至SCI部位。在啮齿类动物模型中，这些RNA已被证明可通过NF-κB等途径抑制炎症、减少神经元凋亡、促进轴突再生、增强血管生成并显著改善运动功能恢复。创新包括具有增强miRNA负载（例如miR-26a、miR-133b）的生物工程化外泌体以及与生物材料（如支架）的整合以优化递送和保留。例如，一项研究表明，含有miR-338-5p的骨髓来源的间充质干细胞外泌体通过Cnr1/Rap1/Akt轴减少细胞凋亡。另一项研究报告称，含有miR-216a-5p的经低氧预处理的骨髓来源的间充质干细胞外泌体可促进M2巨噬细胞极化。尽管存在产量低和标准化等挑战，文献计量分析表明其具有强劲的临床转化轨迹。
2 Part II: Introduction to exosomes and exosomal miRNAs
外泌体是纳米级、膜结合的囊泡，由几乎所有细胞类型在生理或病理条件下主动分泌到细胞外空间。它们通常直径在30至150纳米之间，充当细胞间通讯的“信使”，在其脂质双分子膜内稳定携带和运输来自源细胞的各种生物活性分子。外泌体囊泡的内容物尤其重要，包括蛋白质、脂质和核酸，特别是功能性RNA，如信使RNA（mRNA）、微小核糖核酸（miRNA）和长链非编码RNA（lncRNA）。这些外泌体RNA并非被动装载，而是细胞分选机制的产物。在递送至受体细胞后，它们可以直接参与并调节基因表达网络，从而在重塑微环境和调节细胞功能方面发挥关键作用。
2.1 Biogenesis and composition of exosomes
外泌体作为天然信息载体的独特特性使其在SCI治疗中具有无与伦比的优势。SCI后的病理微环境极其复杂。能够同时调节多个关键通路（如炎症、凋亡、血管生成和轴突再生）的RNA分子被认为是非常有前途的治疗工具。然而，裸露的RNA分子在体内高度不稳定，容易被核酸酶快速降解，并且难以穿透生理屏障，这严重限制了其临床应用。外泌体有效解决了这些挑战。首先，其天然膜结构为内部RNA提供了强大的保护，使其免于降解。其次，它们表现出优异的生物相容性和低免疫原性，确保了递送过程的安全性。更关键的是，它们可以穿过血脑屏障，从而能够将RNA直接递送至中枢神经系统核心损伤部位。因此，使用外泌体作为RNA递送载体是一种战略性的“赋能”，显著放大了RNA的治疗效果。
2.2 Advantages of exosomes as delivery vehicles in spinal cord injury treatment
外泌体携带多种RNA分子，形成复杂的调控网络，参与脊髓损伤后的修复过程。关键的非编码RNA分子包括miRNA、lncRNA、环状RNA（circRNA）等。lncRNA和circRNA可以作为“分子海绵”吸收miRNA或参与其他复杂的调控机制，在神经再生和功能重塑中发挥作用。然而，miRNA无疑是当前研究中研究最深入、机制最明确的一类分子。它们通过与靶基因的mRNA结合，在转录后水平精确“沉默”特定基因的表达。这有效地调节了关键的病理过程，如炎症反应、细胞凋亡和轴突生长。由于miRNA在脊髓损伤修复研究中取得显著突破且机制相对清晰，本综述将重点讨论通过外泌体递送的miRNA，系统阐述其在脊髓损伤治疗中的作用机制和应用前景。
2.3 Role of exosomal non-coding RNAs with a focus on miRNAs
3 Part III: Functions of exosomal miRNA in the treatment of spinal cord injury
3.1 Inhibition of neuroinflammatory responses
神经炎症是SCI后继发性病理级联反应的主要驱动机制。损伤后，大量促炎细胞因子（如IL-1β和TNF-α）的释放激活了包括NF-κB和TLR4在内的信号通路，加剧了神经元损伤并恶化了局部微环境。外泌体来源的miRNA可以精确靶向这些通路或直接调节促炎转录因子（如IRF5），有效抑制小胶质细胞和巨噬细胞的过度激活，从而减轻炎症反应。外泌体的治疗价值在于打破炎症的恶性循环，减少继发性神经损伤，为组织修复和功能恢复创造有利条件。例如，Jiang等人表明，神经干细胞（NSC）外泌体来源的miR-124-3p通过靶向MYH9抑制PI3K/AKT/NF-κB通路，显著降低SCI大鼠模型中的促炎因子水平并改善运动功能。类似地，Liu等人发现，经低氧预处理的MSC外泌体通过miR-216a-5p调节TLR4/NF-κB通路，诱导小胶质细胞从促炎M1型向抗炎M2型极化。最近的证据表明，富含miR-146a-5p的低氧预处理骨髓间充质干细胞（BMSC）来源的外泌体可通过调节IRAK1-TRAF6-NF-κB信号轴促进巨噬细胞M2极化，从而减轻神经炎症并改善损伤后微环境。
3.2 Inhibition of neuronal apoptosis
神经元凋亡是SCI后永久性功能丧失的关键因素，涉及线粒体功能障碍、氧化应激和促凋亡基因（如PTEN和Bax）的异常上调。外泌体miRNA可以通过靶向并抑制这些促凋亡基因或激活关键的细胞存活通路（如PI3K/AKT通路）来减少神经元凋亡。维持神经网络的存在对于轴突再生和功能重建至关重要；因此，抑制凋亡对于延长治疗窗口期至关重要。Zhang等人证明，BMSC来源的miR-338-5p通过上调抗凋亡蛋白Bcl-2和下调Bax来调节Cnr1/Rap1/Akt轴，显著减少SCI大鼠的神经元凋亡。此外，Huang等人发现血浆外泌体miR-429可通过抑制PTEN/PI3K/Akt通路减少急性SCI期的神经元损失。另外，内皮祖细胞来源的载有miR-210的外泌体可降低Bax/Bcl-2比值和cleaved caspase-3水平，导致损伤后第7天至第28天的BBB评分改善。
3.3 Promoting axonal regeneration
轴突再生是SCI后运动和感觉功能恢复的结构基础。然而，损伤后形成的胶质瘢痕和微环境中抑制性分子（如排斥性导向分子A (RGMA)）的积累是轴突生长的主要障碍。外泌体miRNA通过调节对轴突生长至关重要的信号通路（如PTEN/AKT/mTOR和NGF/TrkA通路），可以有效促进轴突延伸和功能性神经回路的重建。Wang等人发现，人脐带MSC外泌体miR-145-5p可通过激活NGF/TrkA通路显著促进SCI大鼠模型的轴突生长。类似地，Li等人证实，由修饰的MSC外泌体递送的miR-133b可激活ERK1/2/STAT3通路，从而刺激神经纤维再生。此外，一项研究表明，表皮生长因子受体（EGFR）阳性的神经干细胞来源的携带miR-34a-5p的外泌体通过沉默组蛋白去乙酰化酶6（HDAC6）促进轴突生长并增强脊髓损伤后的功能恢复。
3.4 Promoting angiogenesis
损伤区域的血管重建对于改善局部缺血缺氧、支持神经元存活和清除代谢废物至关重要，也是优化神经修复微环境的前提。外泌体miRNA可以通过靶向和调节与血管生成相关的基因（如整合素α5和SPRED1）来促进内皮细胞增殖、迁移和管状结构形成。Umezu等人证明，由K562细胞外泌体递送的miR-92a通过靶向整合素α5显著增加了SCI模型中的新生血管密度。Huang等人发现，修饰的MSC外泌体中的miR-126通过调节SPRED1/PIK3R2通路增加血管生成标志物（如血管内皮生长因子 (VEGF)）的表达，从而促进功能恢复。此外，研究发现人尿液来源的干细胞分泌的外泌体富含miR-216a-5p，该microRNA靶向PTEN并激活AKT信号通路，促进血管生成并增强细胞存活。
3.5 Regulating the immune microenvironment
SCI后免疫微环境的失衡，特别是M1型促炎巨噬细胞/小胶质细胞的过度激活，会加剧炎症损伤并破坏BSCB的完整性。外泌体miRNA可以调节关键信号通路，诱导巨噬细胞/小胶质细胞向M2型修复表型极化。这保护了BSCB的结构完整性，并将免疫微环境从“破坏性”重塑为“修复性”。Qing等人证明，BMSC外泌体中的miRNA（如miR-125a）通过调节PI3K/AKT/NF-κB通路促进M2极化。此外，Gao等人发现心包细胞外泌体miR-210-5p可通过JAK1/STAT3通路保护BSCB的完整性。
3.6 Multifunctional neuroprotective effects
除了特定功能外，某些外泌体miRNA具有广谱的神经保护作用。这些作用是通过多种机制实现的，包括调节细胞自噬、减轻内质网（ER）应激和促进神经元分化。这些多方面的、多靶点的效应为改善SCI后的整体神经微环境和支持长期功能恢复提供了基础。例如，Ke等人发现，IGF-1增强的神经干细胞外泌体通过miR-219a-2-3p/YY1轴发挥神经保护作用。Xu等人证明星形胶质细胞外泌体中的miR-92b-3p通过减轻内质网应激在SCI急性期提供早期保护。此外，发表在《Pain》杂志上的一项研究揭示，外泌体miRNA通过影响神经元过度兴奋通路来调节SCI后的神经病理性疼痛。
4 Part IV: Conclusion
总之，SCI仍然是一个重大的临床挑战，涉及复杂的病理生理过程，导致永久性神经功能损害。外泌体RNA，特别是miRNA，可能成为变革性的治疗剂，调节细胞间通讯并协调多方面的修复过程。如本综述所述，外泌体miRNA通过NF-κB和TLR4等通路减轻神经炎症，通过PTEN/PI3K/Akt信号抑制神经元凋亡，促进轴突再生和血管生成，并将免疫微环境重塑为修复表型，从而对SCI病理生理产生深远影响。最近的进展突出了源自MSCs和神经干细胞的外泌体的潜力。这些外泌体的工程化变体可以增强miRNA的递送，从而在临床前模型中带来更好的结果，例如减少病变体积和改善运动功能。然而，在将其转化为临床实践之前，仍有一些挑战需要克服，例如标准化外泌体生产、优化递送策略和减轻免疫原性。这需要严格的GMP合规协议和长期安全性评估。
5 Part V: Challenges and future perspectives for clinical translation
5.1 Current challenges in exosomal miRNA therapy for SCI
外泌体miRNA疗法在修复SCI方面显示出巨大潜力，但其临床转化仍面临多种技术和生物学挑战。首先，外泌体制备存在突出的标准化问题，包括分离纯度、miRNA装载效率和批次间差异，这可能导致治疗效果不一致。其次，递送效率有限。静脉内给药通常导致肝脏快速清除和BSCB穿透不足。局部注射增强了靶向性，但增加了侵袭性和感染风险。剂量优化也具有挑战性，因为过量剂量可能引发免疫反应或脱靶效应，影响非神经组织的基因调控。此外，安全性考虑也至关重要，包括供体来源的外泌体的免疫原性，可能诱发炎症或排斥反应。必须警惕长期风险，例如肿瘤发生，因为miRNA调控可能干扰细胞增殖通路。减轻这些风险的策略包括使用自体或低免疫原性外泌体、用靶向分子进行表面修饰以增强特异性，以及通过先进的成像和生物标志物检测进行全面的治疗后监测以早期发现任何不良事件。此外，临床前研究常常忽略性别差异和长期结果评估，限制了其对人类的适用性。值得注意的是，研究揭示了慢性脊髓损伤后细胞外囊泡反应的性别差异，这些差异与衰老大脑中的神经炎症和神经退行性变化相关。因此，忽视性别差异可能会限制治疗结果的普适性。为了克服这些障碍，必须开发GMP合规方案和生物标志物监测系统，以确保疗法的可靠性和安全性。
5.2 Future directions and innovations in exosomal miRNA-based treatments
展望未来，外泌体miRNA疗法有望通过多学科整合在SCI治疗中取得突破。一个新兴趋势是通过激素预处理或用特定因子诱导来优化工程化外泌体，以增强miRNA的抗炎和再生功效。例如，褪黑素预处理的血浆外泌体已被证明可通过递送miR-138-5p显著增强抗炎功能，从而抑制小胶质细胞激活并促进脊髓修复，展示了其在动物模型中减少病变体积和改善运动功能的潜力。类似地，IL-4预处理的
