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  • 干细胞和外泌体可作为诊断和治疗多囊卵巢综合征的生物制剂

    1970-01-01 08:00来源:人参果细胞网 作者:

    女性生殖系统的典型病症是多囊卵巢综合症(PCOS)。高胰岛素血症、胰岛素抵抗、肥胖和雄激素过多症只是与这种疾病相关的一些代谢异常。2型糖尿病、高血压和心血管疾病是与PCOS相关的其他问题。这种综合征的一个后果是不孕,为此已经开发了多种治疗方法。二甲双胍和克罗米芬是两种用于治疗多囊卵巢综合症的常见对抗疗法药物,两者都有缺点且无效。寻求新的治疗方式来解决这些限制至关重要。

    近年来,干细胞及其中的干细胞外泌体领域新技术迅速发展;因此,希望这些元素能够成功治疗该综合征并应用于临床研究。图1展示了使用和不使用细胞干细胞及其外泌体衍生物的多囊卵巢综合症研究历史。

    图1:基于Scopus、PubMed和WebofScience报告对PCOS的科学关注:

    (A)2000年至2024年有关含有和不含有干细胞和EXO的PCOS的已发表文章数量,

    B)含有和不含有干细胞和EXO的有关PCOS的已发表文献类型没有干细胞和EXO,

    (C)对有和没有干细胞和EXO的不同分支PCOS的科学关注统计。

    外泌体(EXO)是细胞释放的一类特殊的细胞外囊泡,已知它们在介导细胞间通讯中发挥重要作用。纳米级脂质双层外泌体中含有多种物质,包括脂质、蛋白质、mRNA、miRNA和许多其他非编码RNA。干细胞和源自它们的EXO的细胞因子作用能够防御多囊卵巢综合症等代谢疾病。此外,EXOmicroRNA有可能用作PCOS检测和管理的生物标志物。

    近日,《内分泌学前沿》发布了一篇《干细胞和外泌体可作为诊断和治疗多囊卵巢综合征的生物制剂》的文章,在这项研究中,专门研究了干细胞和外泌体在诊断和治疗女性生殖系统疾病之一的多囊卵巢综合症中的潜力。

    多囊卵巢综合症的的原因、诊断、治疗方法

    多囊卵巢综合症是一种影响育龄妇女的常见代谢和内分泌疾病。它是育龄妇女(13-16岁)不孕的重要因素和主要原因。

    雄激素水平升高、排卵问题和形态异常都是多囊卵巢综合征(PCOS)疾病的症状。美国国立卫生研究院(NIH)将PCOS定义为“雄激素过多症伴排卵障碍”。至少6%至10%的处于生育期的女性会出现这种情况,尽管频率建议高出两倍。

    多囊卵巢综合症的原因

    PCOS的确切病因和病理学尚不完全清楚;然而,黄体生成素(LH)与卵泡刺激素(FSH)的高比例以及促性腺激素释放激素(GnRH)过量被认为是其基本特征。有证据表明,遗传、表观遗传学、雄激素过多症(HA)、胰岛素抵抗(IR)和环境因素等内部和外部因素可能与多囊卵巢综合征的发生有关。还需要注意的是,PCOS会增加各种疾病的风险,包括2型糖尿病、焦虑、心脏病、抑郁症和代谢综合征。PCOS阳性女性通常表现出低度慢性炎症。

    最近的研究表明,对于患有多囊卵巢综合症的身材苗条、胰岛素敏感的女性,使用抗炎药物可以减少卵巢雄激素的释放并促进排卵。有趣的是,即使在PCOS中不存在胰岛素抵抗的情况下,数据也清楚地表明炎症在卵巢功能障碍背后的潜在机制中发挥着关键作用。

    多囊卵巢综合症的诊断标准

    为了诊断成年女性的多囊卵巢综合症,通常采用鹿特丹多囊卵巢综合症标准,该标准要求存在三分之二的发现:临床和/或生化雄激素过多症、少排卵和超声多囊卵巢形态。然而,诊断青少年多囊卵巢综合症可能具有挑战性,因为其症状与青春期的正常变化有显着重叠,使得准确诊断在大多数时候都很困难。多囊卵巢综合症(PCOS)不仅仅是一种卵巢疾病。它现在被认为是一种复杂的、多因素的、多基因的、炎症的、类固醇失调状态的自身免疫性多系统疾病。

    PCO的合并症可分为三大类:代谢性、生殖性和心理性。月经不调、生育力低下、胰岛素抵抗、肥胖、心血管疾病、焦虑、抑郁以及生活质量低下是PCOS的主要合并症和后果。

    多囊卵巢综合症传统治疗方法

    根据指南,目前还没有针对PCOS根本原因的确切治疗方法,但症状治疗和预防与PCOS相关的长期发病是当今流行的治疗方法,可以通过减轻5-10%的体重和/或对于尚未恢复排卵的女性,联合使用口服避孕药和促排卵药物(如来曲唑、克罗米芬和二甲双胍)(图2)。由于确定了患有PCOS的青少年和女性治疗中存在相关困难,因此制定了基于证据的国际PCOS建议,强调在整个生殖寿命期间对PCOS进行预防、筛查和治疗。

    图2:多囊卵巢综合症及其症状

    干细胞的基础知识

    干细胞是生物体内最重要、最重要的细胞之一,具有独特的特性。干细胞的两个重要且主要的特征是它们分化成不同形式的特化细胞,以及只要有机体活着,它们就可以无限分裂而不分化。干细胞的这两个特征是它们所经历的分裂类型的结果。首先,干细胞可以进行对称分裂,从而产生两个子细胞,每个子细胞都保留了全部干细胞潜力。第二种分裂称为不对称分裂,其中产生一个干细胞,保留其干细胞特性,并产生一个祖细胞,其自我更新潜力降低。

    干细胞根据其来源分为四种主要类型:胚胎干细胞(ESC)、胎儿干细胞(FSC)、成体干细胞(ASC)和诱导多能干细胞(iPSC)。每种类型都有独特的特征和分化潜力,使它们对各种研究和医学应用有价值。胚胎干细胞是由囊胚内层的外胚层衍生而来,可转化为外胚层、内胚层和中胚层三个初级胚层。

    FSC是一类干细胞,源自三种主要细胞系:胎儿造血干细胞、神经干细胞(NSC)和胎儿MSC。这些FSC具有分裂、增殖和分化为特殊细胞类型的能力。这些细胞系源自胎儿组织,并表现出根据需要分裂、增殖和分化成特定细胞类型的能力。ASC或成体干细胞是存在于出生后成人组织中的细胞系,可以是单能或多能的。这种分化程度较低的细胞系是产生其他类型细胞的起源,并且可以分为几种细胞类型,即表皮干细胞(EDSC)、NSC、MSC和造血干细胞(HSC)。

    产生三个分化的初级胚层的干细胞的一种形式是IPSC,它是由成体干细胞产生的。因为它们源自患者的体细胞,所以排斥的风险较低。间充质干细胞的来源包括脐带、骨髓和脂肪组织。此前的临床前和临床试验表明,间充质干细胞可有效治疗多种女性生殖疾病,可用于治疗多囊卵巢综合征。其他干细胞分类是基于区分全能、多能和专能的能力。转化为分化细胞的能力从第一类到第三类分别降低。根据上述内容和最近的研究,可以推测干细胞具有治疗多种疾病的高能力(图3)。

    图3:干细胞分类

    (A)干细胞的对称和不对称分裂,(B)干细胞分为不同类型,包括ESC、FSC、ASC和iPSC。

    外泌体:定义及其在多囊卵巢综合症治疗中的应用

    最初,人们认为细胞外囊泡(EVs)是从质膜直接萌发的;然而,正如潘和哈丁在20世纪80年代发现的那样,成网状细胞分泌的EVs具有更复杂的分泌模式。细胞通讯主要由EVs介导,EVs曾被称为细胞垃圾。

    EXOs(40到120纳米)是三种EV亚型中最小的一种。由于其独特性,该领域的先驱约翰斯顿于1987年首次将这种EV命名为“外泌体”。多囊体(MVB)与质膜融合时产生外泌体。MVB是通过内吞过程吸收的,而内吞过程是由许多过程控制的,这些过程也支配着早期内体的发育和质膜的内部出芽。各种有效载荷被分拣到腔内囊泡(ILV)中,在早期内体中产生MVB,而一部分蛋白质则被送回质膜。最后,完整的MVB也可能与溶酶体合并进行降解,或与质膜合并,以EXO的形式排出ILV。近几十年来,EXOs已被证明具有作为运输工具的潜力,并含有多种成分,如miRNA、核酸RNA和蛋白质,它们在细胞外通讯中发挥着重要作用(图4)。

    图4:干细胞外泌体的生物发生和结构

    与MSC一样,MSC-EXO具有抑制免疫反应和炎症的先天能力。脂肪间充质干细胞产生的EXO已被证明可以通过增加免疫调节细胞因子的产生、减少γ干扰素表达和转录因子以及限制局部炎症反应来影响免疫系统。此外,MSC衍生的EXO(MSC-EXO)通过刺激血管内皮细胞的增殖而表现出血管生成作用。许多生物过程,包括繁殖、组织更新和修复以及胚胎发育,都依赖于这些EXO。它们调节这些过程的能力使它们成为各种治疗应用的有希望的候选者,特别是在促进组织修复和改善生殖结果方面。

    根据研究结果,间充质干细胞衍生的外泌体是在体外模型中控制雄激素合成并在多囊卵巢综合征小鼠模型中恢复生育能力的重要分子。在多囊卵巢综合症的背景下,静脉注射和卵巢内注射都显示出新的治疗潜力。在血糖控制等全身调节中,静脉注射可产生更有利的结果。相反,卵巢内注射在恢复卵巢功能方面表现出更大的功效。尽管我们未来的研究需要更多的临床试验,但MSC衍生的外泌体可能为PCOS患者提供有希望的治疗选择。

    来曲唑诱导PCOS后,对雌性大鼠进行无细胞治疗(干细胞和外泌体的条件培养基(CM))。根据该研究结果,用BM-MSC产生的EXO和CM治疗PCOS似乎很有希望。然而,BM-MSC衍生的CM在生化、形态和功能方面优于BM-MSC衍生的外泌体。这可能是因为除了EXO之外,CM还包含许多其他生物成分(表1)。

    表1:干细胞外泌体在治疗多囊卵巢综合症中的应用

    干细胞治疗多囊卵巢综合症的应用

    基于MSC的疗法因其免疫调节活性(特别是在炎症相关疾病中)以及其分化潜力和自我更新能力而成为PCOS的潜在有益替代方案。广泛的研究揭示了间充质干细胞主要通过旁分泌信号通路改善和修复卵巢生育能力的能力。RAP1/NFkb信号通路在控制MSC活动中发挥着关键作用。

    间充质干细胞的功能受到其旁分泌活性的显着影响,调节炎症和免疫反应,促进组织愈合,并促进祖细胞分化为专门的组织细胞。研究表明,患有多囊卵巢综合症的女性经常会出现慢性炎症;因此,他们更有可能患上2型糖尿病(DMT2)、代谢综合征、肥胖和胰岛素抵抗。基于MSC的治疗有望解决潜在的炎症和恢复卵巢功能,使其成为治疗PCOS及其相关并发症的潜在治疗方法。

    研究结果表明,多囊卵巢综合症患者的卵母细胞体外成熟(IVM)效果不佳。然而,间充质干细胞分泌多种生长因子和细胞因子,有助于卵母细胞的成熟。一项研究表明,在IVM培养基中添加50%人骨髓间充质基质细胞条件培养基(hBM-MSC-CM)可显着提高受精率以及生殖囊泡(GV)卵母细胞的核和细胞质成熟。它还导致多囊卵巢综合症小鼠的囊胚形成和发育卵母细胞的两细胞率增加。这些发现表明,MSC分泌的因子可以在体外手术过程中对PCOS患者的卵母细胞成熟产生积极影响。

    2022年8月14日,吉林大学周虚教授、李纯锦教授团队在国际权威杂志Biomaterials上发表题为“Adiposemesenchymalstemcell-derivedexosomalmicroRNAsamelioratepolycysticovarysyndromebyprotectingagainstmetabolicdisturbances”的研究论文(2022,14:121739),阐述了脂肪间充质干细胞外泌体通过防止代谢紊乱改善多囊卵巢综合征的机制。

    该研究首先用脱氢表雄酮(DHEA)诱导PCOS模型大鼠,使用AMSCs和AMSC-EXOs治疗改善了大部分PCOS症状。

    进一步研究发现,AMSC-EXOs主要富集在大鼠肝脏组织中,进行肝脏RNAseq和AMSC-EXOs的miRNA丰度测序,通过基因联合分析找到miR-21-5p靶向Btg2基因。

    为了验证miR-21-5p和Btg2基因之间的关系,使用大鼠肝细胞进行分子机制研究。结果发现,AMSC-EXOs通过携带miR-21-5p靶向Btg2基因促进了肝细胞对葡萄糖的摄取能力,并且在这过程中激活了p-IRS1和p-AKT通路。

    研究示意图

    为了证明是AMSC-EXOs通过携带miR-21-5p改善PCOS大鼠代谢进而改善PCOS相关病症,该研究将AMSC-EXOs中miR-21-5p屏蔽掉,结果发现其不能改善PCOS大鼠症状,并且不会激活肝脏组织p-IRS1和p-AKT通路以及不会促进肝细胞对葡萄糖的摄取能力。

    研究结果为干细胞外泌体用于临床治疗多囊卵巢综合征提供了新思路,也为研究动物卵泡囊肿的防治奠定了理论基础。

    此外,根据对PCOS病因的研究,炎症和氧化应激可能导致该病的病理生理学。因此,针对前面提到的系统可能是一种有效的治疗方法。由于其免疫调节、抗氧化和抗凋亡特性,BM-MSC被用于治疗许多炎症性疾病。此外,已表明骨髓间充质干细胞移植可有效治疗卵巢功能障碍疾病和损伤。

    接受BM-MSC治疗的PCOS患者的卵巢、皮质和卵母细胞总量显着增加;透明带厚度;与PCOS疾病相比,窦卵泡的数量以及窦前卵泡和初级卵泡的数量显着减少。此外,在接受BM-MSC治疗的PCOS患者中,血液FSH和TAC水平显着升高,而LH、睾酮和MDA水平以及TUNEL阳性凋亡细胞比例大幅下降(表2)。

    表2:干细胞治疗多囊卵巢综合症中的应用。

    结论

    我们在这里为开发用于多囊卵巢综合症相关生育治疗的新型细胞(干细胞)和无细胞(EXO)诊断和治疗方法提供了潜在的成功途径。最近的研究表明,干细胞和干细胞外泌体可以抑制炎症和细胞凋亡,控制类固醇生成,并在体内和体外阻止雄激素的合成。这项研究也提高了我们对干细胞外泌体治疗多囊卵巢综合症患者的miRNA表达谱的了解。因此,值得挑战这些化合物在治疗多囊卵wmt巢综合征中的有效性和效率。

    我们预计,随着干细胞外泌体和干细胞研究的进一步发展,这两个课题将能够为多囊卵巢综合症的早期和更精确的诊断做出重大贡献,并成为该疾病患者有用的治疗和介入工具。尽管干细胞外泌体和干细胞的研究方向仍需探索,但通过研究人员和医疗专业人员的不懈努力,这些技术有一天可能会成为有用的辅助工具和重大的医学进步,改善多囊卵巢综合症女性的健康。

    参考资料:HadidiM,KarimabadiK,GhanbariE,RezakhaniLandKhazaeiM(2023)Stemcellsandexosomes:asbiologicalagentsinthediagnosisandtreatmentofpolycysticovarysyndrome(PCOS).Front.Endocrinol.14:1269266.doi:10.3389/fendo.2023.1269266

    标签:干细胞治疗·干细胞治疗多囊卵巢综合症

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