《Biomedicine & Pharmacotherapy》：The dual role of extracellular vesicles in OA: Pathological mediators, diagnostic biomarkers, and therapeutic targets
摘要
骨关节炎（OA）是一项重大的全球健康挑战，其特征是进行性关节软骨退化，且缺乏有效的疾病修饰干预措施。细胞外囊泡（EVs）曾被视为细胞碎片，如今已被认为是关节微环境中细胞间通讯的关键协调者。本综述批判性地审视了EVs在OA中的双重性。我们描述了来自应激关节组织的内源性EVs如何通过传播促炎和分解代谢信号来驱动病理。相反，我们强调了外源性EVs——特别是那些源自间充质干细胞（MSCs）的EVs——的治疗前景，它们作为有效的、无细胞的再生剂，能够进行免疫调节和软骨修复。除了其生物学作用，我们还讨论了滑液EVs作为早期诊断和疾病分层的液体活检的新兴用途。最后，我们解决了关键的转化瓶颈，这需要根据《细胞外囊泡研究最低信息2023》（MISEV2023）进行标准化以加速临床应用。
1. 引言
骨关节炎（OA）目前困扰着全球超过5亿人。OA不仅仅是简单的“磨损”，而是一种涉及软骨侵蚀、骨重塑和滑膜炎症的复杂多因素“全关节”疾病。然而，当前的治疗选择仍然有限，药物治疗绝大多数是对症治疗，缓解症状而不减轻潜在的结构退化。虽然全关节置换术是终末期衰竭的最终解决方案，但它带有固有的手术风险，并且无法用于早期干预。临床现状需要从姑息治疗转向，优先考虑能够从根本上改变疾病进程的生物制剂。
在寻找此类疾病修饰疗法的过程中，细胞外囊泡（EVs）在过去二十年中获得了越来越多的关注。曾被视为细胞碎片的EVs，现在被认为是细胞间通讯的关键协调者。EVs封装了多种生物活性蛋白、核酸（RNAs, DNAs）和脂质，反映了其亲本细胞的生理状态，并在内化后功能性重编程受体细胞。根据其生物发生，EVs通常分为外泌体、微囊泡和凋亡小体，尽管最近的指南（MISEV2023）提倡使用基于物理特性的操作术语。
EVs在关节中的作用并非单一，而是与亲本细胞的生理状态密切相关。在骨关节炎条件下，受损的软骨细胞或滑膜细胞分泌的EVs充当病理载体，通过生物活性货物的水平转移放大炎症和基质降解。然而，同样的运输机制也支撑着一种有前景的治疗策略。当源自健康来源（如间充质干细胞MSCs）时，这些囊泡可作为无细胞的生物治疗剂，它们不是传播损伤，而是传递恢复性信号，促进软骨细胞存活并调节局部免疫反应。
EVs的转化前景不仅在于其生物活性载荷，还同样依赖于其特定的物理化学结构。与合成载体不同，这些囊泡具有固有的脂质 shield，能天然保护货物，这一特性可用于设计更优的药物递送系统。同样关键的是它们的诊断可及性。由于EVs自由渗透到外周循环——从关节泄漏到血浆和尿液中——它们有效地将这些生物流体转化为液体活检，为我们提供了一个窥视封闭关节环境的非侵入性窗口。
本综述旨在批判性地综合EVs在OA中的多方面作用。我们将首先剖析内源性EVs在疾病进展中驱动的病理机制。随后，我们将评估滑液（SF）EVs作为诊断生物标志物的潜力，并讨论利用工程化或干细胞来源的EVs的新兴治疗策略。最后，我们将讨论转化的瓶颈，包括标准化和可扩展性，这些是将基于EVs的概念转化为临床现实所必需的。
2. 搜索策略和选择标准
为确保对文献的全面回顾，我们使用PubMed、Web of Science和Scopus数据库进行了系统性搜索，截止至2025年12月。搜索策略采用了以下关键词的组合：“骨关节炎”、“细胞外囊泡”、“外泌体”、“微囊泡”、“miRNA”、“lncRNA”、“诊断”和“治疗”。我们优先考虑过去5年内发表的研究，特别是那些遵循MISEV指南的文章。根据文章与EVs在OA中的病理、诊断或治疗作用的相关性进行筛选。我们排除了非英文出版物和没有全文的摘要。最终选择基于研究的新颖性、引用影响和方法学严谨性。
3. 骨关节炎的病理生理学背景
OA在历史上被视为一种简单的“磨损”性疾病，但现代病理学将其定义为一种复杂的、多因素的“全关节”疾病。OA的病理生理学是由合成代谢（修复）和分解代谢（降解）过程之间的稳态失衡驱动的，这不仅影响关节软骨，还影响软骨下骨、滑膜和髌下脂肪垫。在分子水平上，这种失衡是由慢性、低度炎症微环境促发的。促炎细胞因子，特别是白细胞介素-1β（IL-1β）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α），在协调软骨破坏中发挥核心作用。这些细胞因子刺激软骨细胞和滑膜成纤维细胞上调基质金属蛋白酶（MMPs，尤其是MMP-13）和聚集蛋白聚糖酶（ADAMTS-4和ADAMTS-5）。由此产生的酶活性降解了细胞外基质（ECM）的主要结构成分——II型胶原和聚集蛋白聚糖，导致软骨完整性丧失。
至关重要的是，OA的进展是由跨组织边界的异常细胞间通讯所推动的。例如，滑膜炎（滑膜炎症）创造了一个反馈回路，其中发炎的成纤维样滑膜细胞（FLS）释放进一步损害软骨细胞的信号。类似地，受损的骨软骨连接处允许硬化的软骨下骨与上方软骨之间的病理通讯，加速肥大和矿化。正是在这种动荡的微环境中，EVs作为关键载体出现。关节细胞的生理状态直接决定了它们分泌的EVs的功能载荷。在OA环境的压力下，常驻细胞释放载有促炎和分解代谢货物的EVs（病理作用）。相反，引入健康或干细胞来源的EVs旨在通过传递再生信号来恢复这种失去的稳态（治疗作用）。理解这一病理生理背景对于剖析后续章节讨论的EVs的双重性质至关重要。
4. OA中EVs的来源和丰度
滑液（SF）容纳了来自各种关节组织的异质性EVs群体，包括软骨细胞、滑膜细胞和免疫细胞。软骨细胞是软骨的主要常驻细胞，是OA中囊泡的关键早期来源。在OA条件下，软骨细胞改变囊泡的内容物，从而干扰软骨稳态和整合。此外，滑膜成纤维细胞和免疫细胞也参与囊泡的形成，导致囊泡池组成的异质性。关于SF-EVs的主要细胞来源仍存在争议。一些研究表明，大多数OA患者的SF囊泡来自B淋巴细胞和T淋巴细胞，且来自B细胞的囊泡比类风湿关节炎中更多。另一项研究发现，在OA的SF中，粒细胞和单核细胞是微囊泡的主要来源，血小板的贡献较小。这些差异可能源于EVs分离方案的方法学异质性，以及EVs分子特征在OA病理不同阶段动态演变的固有可塑性。这种缺乏共识的情况凸显了迫切需要进行严格的方法学标准化，以解决由分离方案引起的差异。
在OA背景下，文献记载了EVs的丰度和功能。研究表明，OA患者SF中的EVs浓度高于健康人，表明其在疾病的发病机制方面起着关键作用。值得注意的是，滑膜EVs的货物可用于评估OA的严重程度，严重病例中的EVs比轻度病例含有更多的细胞因子和趋化因子。此外，类风湿关节炎患者滑膜EVs的水平高于OA患者。这些发现表明，关节液中EVs的丰度可能由细胞的活跃状态而非细胞数量驱动，这一假设得到了EVs数量与细胞计数之间弱相关性的支持。迄今为止，我们对这一人群中循环EVs谱的理解仍然是零散和模糊的。例如，一些研究指出OA患者的血浆EVs水平高于健康组，而另一些研究则未发现差异。表1详细说明了EVs的具体致病贡献，按其细胞来源和组织来源进行了分层。
5. EVs在OA中的病理作用：介质和放大器
骨关节炎从根本上说是一种由生物力学负荷、衰老、遗传易感性和代谢失调复杂相互作用驱动的多因素疾病。虽然这些主要因素介导了疾病过程，但组织损伤的持续进展需要有效的细胞间通讯。在此背景下，EVs充当了关键的病理介质和放大器。它们形成了一个复杂的信号网络，在软骨、滑膜和软骨下骨之间传播促炎和分解代谢信号，有效地将生物力学应力转化为生化功能障碍。
5.1. 软骨细胞来源的EVs在OA发病机制中的作用
软骨细胞虽然在软骨基质中稀疏，但在应激时成为OA病理的主要引发者。OA软骨细胞并非被动死亡，而是分泌重编程的EVs，通过不同的分子机制主动破坏关节环境。
首先，在机械应力下，软骨细胞分泌的EVs通过将MMPs和ADAMTS酶运输到细胞外空间来促进基质降解，从而加剧II型胶原和聚集蛋白聚糖的损失。证据表明，OA软骨细胞来源的EVs充当促降解非编码RNA网络的载体。例如，特定的环状RNA，如circ-0001846和circ-PRKCH，在这些囊泡中富集，并作为保护性miRNAs（如miR-149-5p, miR-502-5p）的“海绵”。这种海绵效应的下游后果是统一上调分解代谢酶，特别是MMP-13和ADAMTS5，这促使II型胶原和聚集蛋白聚糖的分解。类似地，这些EVs递送的lncRNA PVT1激活NF-κB炎症轴，进一步抑制基质合成。总的来说，这些货物并非孤立作用，而是协同加速透明软骨完整性的丧失。
其次，软骨细胞来源的EVs通过驱动病理性矿化主动损害骨软骨连接处。在机械胁迫下，软骨细胞排出高度浓缩钙和磷的自噬囊泡。这些囊泡远非惰性废物，而是作为细胞外基质中的种子点，成核形成骨赘基础的钙化结节。但损害更深。通过将特定的调节载荷——特别是miR-221-3p和miR-125——穿梭到软骨下骨成骨细胞，这些囊泡有效地解除了骨形成的制动。由此产生的硬化重塑使软骨下板变硬，剥夺了其吸震顺应性，并将创伤机械性地放大回上方的软骨。
5.2. 滑膜细胞来源的EVs在OA发病机制中的作用
滑膜炎以滑膜增生和免疫细胞浸润为特征，是OA疼痛和进展的关键驱动因素。新出现的证据表明，EVs是滑膜内建立恶性炎症循环的主要载体，同时作为旁分泌介质损害软骨完整性。
首先，滑膜EVs在软骨细胞中引发不同形式的程序性细胞死亡。除了简单的凋亡，最近的研究强调了EVs在诱导高度炎症性细胞死亡模式中的作用：1）焦亡：来自活化巨噬细胞的EVs可以激活软骨细胞内的NLRP3炎症小体和caspase-11。这导致gasdermin D的切割和膜孔的形成，引起细胞破裂并释放进一步的炎症介质。2）铁死亡：此外，转运miR-19b-3p的FLS来源的EVs被发现靶向SLC7A11，这是胱氨酸/谷氨酸逆向转运系统的关键调节因子。这种抑制导致脂质过氧化和铁积累，驱动软骨细胞走向铁死亡。3）Wnt信号激活：富含miR-1246的M1-EVs靶向Wnt通路的负调控因子GSK3β和Axin2。它们的抑制导致Wnt/β-catenin信号的异常激活，这已知会促进软骨细胞肥大和衰老。
其次，发炎的滑膜是病理性EVs的主要来源。这些囊泡作为炎症反应的放大器，创造了一个前馈回路，其中FLS来源的EVs刺激巨噬细胞和软骨细胞分泌更多的促炎细胞因子。在关节囊内，FLS和巨噬细胞并非孤立行动，而是进行由EVs介导的致病性对话。来自发炎OA-FLS的EVs能够代谢重编程巨噬细胞。例如，这些囊泡已被证明能促进受体巨噬细胞的有氧糖酵解，这种代谢转变助长了它们向促炎M1表型的分化。一旦极化，这些M1巨噬细胞分泌的EVs会反馈到FLS上。这种反馈触发了大量趋化因子（如IL-8, MCP-1）和细胞因子（IL-6）的释放，从而招募进一步的免疫细胞波次进入滑膜，从而维持慢性炎症。
第三，滑膜EVs通过加速基质分解代谢构成软骨毒性的主要来源。这些囊泡穿过SF直接攻击关节软骨细胞，通过精确的分子干扰 dismantle 细胞外基质（ECM）。具体而言，OA-FLS EVs表现出升高的lncRNA PCGEM1水平。进入软骨细胞后，PCGEM1作为miR-142-5p的竞争性内源性RNA，导致RUNX2的脱抑制和随后降解酶的上调。类似地，巨噬细胞来源的EVs携带如miR-146b-5p的货物，其靶向USP3/SOX5轴。SOX5的抑制直接损害II型胶原（COL2A1）和聚集蛋白聚糖（ACAN）的合成，使平衡倾向于净软骨损失。
总之，滑膜细胞来源的EVs有效地将关节液转化为有毒环境，通过代谢破坏、基质降解和多种致死信号通路的激活，系统地 dismantle 软骨细胞。
5.3. 成骨细胞和破骨细胞产生的EVs在OA中的作用
关节软骨和软骨下骨在功能上整合为一个骨软骨单元。在OA中，受损的潮标完整性为骨和软骨之间的异常分子通讯创造了通道。新兴研究证实，EVs是这种跨组织通讯的关键介质，允许软骨下骨中的细胞远程决定上方软骨的命运。具体而言，钙化软骨层的完整性是关节软骨和软骨下骨之间关键的生物力学和生化界面，通常作为限制分子从骨髓进入深层软骨区的半透性屏障。在骨关节炎中，该钙化层的结构破坏和变薄与渗透性增加和跨骨软骨连接处分子转运改变相关，可能促进病理信号或细胞外囊泡从骨髓直接易位到软骨基质的深层区。
首先，成骨细胞来源的EVs驱动软骨细胞肥大和硬化。在以晚期OA为特征的硬化软骨下骨中，成骨细胞获得改变的分泌表型。这些硬化成骨细胞释放的EVs作为独特的致病信号而非单纯的副产品。从机制上讲，这些囊泡高度富含miR-210-5p。当被软骨细胞内化后，miR-210-5p发挥双重负面效应：它抑制关键的合成代谢转录因子（SOX9）和结构蛋白（COL2A1），同时启动以RUNX2和COL10A1上调为特征的肥大程序。因此，这些EVs迫使软骨细胞脱离其稳定表型，进入易于钙化和凋亡的终末分化状态，反映了骨本身观察到的硬化。
其次，软骨下骨中异常的骨重塑产生可以穿越骨软骨连接处的EVs。这些EVs作为病理通讯的信使，携带抑制软骨细胞合成代谢活动并促进肥大的miRNAs。这些细胞分泌的EVs被发现通过 dismantle 其天然防御来积极促进软骨分解。已确定两条具体通路：修复信号阻断：破骨细胞EVs将miR-212-3p递送至软骨细胞，其直接靶向Smad2。通过抑制Smad2，这些囊泡有效关闭TGF-β信号通路——一条对软骨维持和修复至关重要的轴——从而使组织易于应激。蛋白酶抑制解除：此外，破骨细胞EVs内的特定miRNA簇已被证明靶向并抑制金属蛋白酶组织抑制剂-2和-3（TIMPs）。TIMP的下调移除了对MMPs的生物学制动，导致对软骨基质的无限制酶降解。
第三，骨来源的EVs与神经血管病理。除了结构损伤，来自软骨下骨的EVs在OA的临床症状学中，特别是疼痛，起着关键作用。破骨细胞来源的EVs被牵连于调节深层关节微环境以利于血管生成（新血管形成）和感觉神经支配。具体而言，这些EVs可以刺激CGRP阳性神经纤维生长到软骨下孔中。这种神经血管侵入不仅促进进一步的炎症，而且直接使关节敏感，为OA患者经常报告的深部骨痛提供了分子解释。
5.4. 各种细胞来源的EVs在OA发病机制中的作用
关节微环境并非孤立存在；它持续受到血管系统和浸润免疫细胞的影响。与应激软骨细胞或滑膜细胞一贯的致病作用不同，来自这些非常驻细胞的EVs发挥复杂且常常相反的效果，反映了组织修复与疾病进展之间的动态斗争。
首先，来自浸润免疫细胞和血小板的EVs主要介导补偿性修复机制。尽管OA具有炎症性质，某些招募的细胞试图通过EVs恢复稳态。例如，受刺激的单核细胞分泌富含LncRNA MM2P的EVs。被软骨细胞内化后，这些囊泡促进SOX9（一种主转录因子）的转移，从而增强基质合成和修复能力。类似地，中性粒细胞来源的EVs已显示出意想不到的软骨保护特性。那些来自TGF-α引发的中性粒细胞的EVs利用分泌型卷曲相关蛋白5（SFRP5）来抑制NF-κB和Wnt信号通路，从而抑制细胞因子诱导的损伤。此外，血小板来源的EVs（通常与富血小板血浆（PRP）疗法相关）表现出强大的再生潜力。它们通过抑制经典的Wnt/β-catenin通路和调节基因表达以利于合成代谢来发挥作用，有效对抗软骨细胞凋亡并促进组织再生。
相反，来自功能失调的血管内皮细胞的EVs充当致病加重者。软骨下骨和滑膜的血管化是OA的一个关键特征。然而，这些内皮细胞的功能障碍导致致病性EVs的分泌。这些囊泡被软骨细胞内化，在那里它们抑制自噬并触发活性氧（ROS）的积累。这种氧化应激覆盖了来自其他细胞类型的保护信号，加剧了凋亡并加速了体内关节软骨的变性。
总之，OA的净进展部分取决于这些保护性（单核细胞/血小板来源）和破坏性（内皮细胞来源）细胞外囊泡信号之间的比率。
6. EVs在OA早期诊断中的潜力
没有这样的哨兵，早期OA在临床上仍然沉默，使得先发制人的治疗不可能。虽然当前的临床指南严重依赖影像学和体格检查，但它们不够敏感，无法检测早期病理变化。此外，由于早期OA通常是局部关节病理，全身血液中的标志物可能不够详细或波动较大。因此，滑液（SF）一直是生物标志物发现的良好候选者。浸泡着关节面的SF是组织源性信号的即时、局部储存库。因此，其驻留的EVs群体充当高保真档案，在病理变化系统性显现之前很久就捕获了细微的病理生理变化。因此，SF来源的EVs代表了早期OA检测的有前景靶标。EVs包含几种生物活性货物，如mRNA、miRNA、DNA和蛋白质，这些反映了其亲本细胞的状态并相互作用。由于早期OA显示很少可检测的全身性变化，富集SF EVs的特定表型和分子特征易于诊断。
近年来，EVs已在以下情境中得到验证。从肿瘤学诊断先例推断——其中血浆CD47+EVs已成为乳腺癌的稳健标志物——我们假设SF-EVs对OA具有类似的预后价值。基于这些观察，最小量采集和SF EV的分子分析可能是识别早期OA的有效方法。
此类EVs的某些分子货物提供了潜在重要的诊断能力：1）Hox基因失调：驱动肢体形态和骨形成的Hox基因失调与OA起始相关。软骨细胞EV中Hox基因表达失调可作为OA诱导的衡量指标。2）miRNAs：EVs-miRNAs是高度特异性的标志物。例如，分化的人脐带间充质基质细胞（hUC-MSCs）表达带有miRNA-140-5p的EVs，miRNA-140-5p是SOX9效应子，对软骨基质再生至关重要。另一方面，miRNA-140和Let-7之间相互作用的破坏导致软骨细胞生长缺陷，高miRNA-145通过Notch信号导致软骨细胞凋亡。值得注意的是，数据库分析表明SF miRNA谱表现出性别依赖性模式，与女性OA患病率较高相关。3）非编码RNAs（circRNA & lncRNA）：以其稳定的闭环结构为特征的环状RNAs（circRNAs）也追踪疾病进展。标志物如circRUNX2和circCDH13在OA中上调，后者通过调节miR-127-5p和MMP13加重病理。类似地，circRNA-0032131调节miR-502-5p/PRDX3，circRNA-0005105与基质降解有关。此外，血清来源的circ-0008365已证明具有诊断价值。再者，SF EVs中的lncRNA PCGEM1不仅指示OA的存在，还能区分疾病阶段。
最后，SF EVs提供关节炎症的间接但敏感的测量。炎症细胞因子，如IL-1，对于早期活动的初始指示可能浓度太低，但它们的下游效应，例如，可以通过EV测量。IL-1结合激活IL1R+滑膜细胞分泌富含MMP-13和ADAMTS5位点的外泌体。因此，通过分析特定的EV蛋白质组，可以直接测量关节内炎症。总体而言，SF EVs的表型和分子载荷为OA早期诊断提供了丰富、准确和有效的工具箱。然而，应该承认，在真正无症状或极早期OA中进行基于滑液的EV分析在技术上仍然具有挑战性，因为样本量有限且具有侵入性，从而突出了优先考虑微创生物流体（如血液或尿液）用于基于EV的筛查策略的转化重要性。
7. 基于EV的干预措施在OA中的多维治疗功效
EVs代表了OA管理的一个新颖的、无细胞的
