克服皮膚的障礙：外泌體療法

外泌體是具有脂質雙層結構的納米級貨物，攜帶多種生物分子，包括脂質、蛋白質和核酸。這些小囊泡由大多數類型的細胞分泌以相互交流。由于外泌體通過體液循環，因此它們不僅可以將信息傳遞給自體細胞，還可以將信息傳遞給遠程細胞。因此，外泌體被認為是各種治療的潛在生物標志物。最近，研究表明外泌體在衰老、特應性皮炎和傷口等皮膚缺陷方面的功效。此外，外泌體因其天然無副作用的特性，正在研究用作商業化皮膚護理產品的成分。

背景

在 2000 年代初期，間充質干細胞療法已成為治療各種缺陷和疾病的替代方法。間充質干細胞 (MSCs) 被廣泛用于臨床試驗，不僅因為它們的多能性，而且還因為其易于從各種成人組織（如皮膚、胎盤、臍帶血、臍帶組織、脂肪組織、牙髓）中獲取、擴增和分離、睪丸和大腦。

此外，幾項研究表明，MSCs 本身并不參與治療過程 。注射到缺陷部位的干細胞顯示出低細胞活力和低數量的細胞傾向于與宿主組織中的受體細胞融合。相反，最近的研究表明，MSCs 的治療功效是通過釋放生物分子而有益的。這些生物活性因子以微米到納米級顆粒的形式被細胞分泌，稱為細胞外囊泡 (EV)。

Exosome

EV 包含脂質、蛋白質和核酸形式的信號，這些信號可以在參與調節生理和病理活動的細胞之間進行交換。根據粒子的大小，EV 可分為外泌體（40 至 100 nm）、微泡（150 至 1000 nm）和凋亡小體（> 1000 nm）。此外，釋放機制不同，其中微泡直接從細胞膜釋放，而外泌體通過多泡體 (MVB) 和質膜的融合釋放。在這篇綜述中，我們將關注 EV 中的較小顆粒，即外泌體。

治療應用的外泌體

對于外泌體在治療應用中的應用，高提取效率和高質量外泌體的大規模生產至關重要。為了實現這一點，上游（細胞培養）和下游（分離）制造過程非常重要。

外泌體的大規模生產強烈依賴于細胞培養技術。當前的放大制造系統基于二維細胞培養方法，包括多層培養工藝。各種研究表明，與基于 2D 的培養相比，基于 3D 的細胞培養可增加顆粒數量并提高質量。此外，其他研究還表明，外泌體的再生作用被發現具有劑量依賴性

由于外泌體的各種好處，外泌體已廣泛用于各種治療應用。外泌體本質上具有攜帶包括蛋白質、DNA 和 RNA 在內的生物分子的能力。因此，根據細胞類型，我們可以獲得具有不同治療能力的外泌體。例如，心臟祖細胞分泌的外泌體阻止心肌細胞對抗氧化應激相關的細胞凋亡 。另一項研究表明，真皮乳頭細胞衍生的外泌體促進了毛囊的發育。

此外，外泌體可以作為藥物遞送系統（DDS）的貨物。外泌體具有極低的免疫原性和高血液相容性。外泌體的精確靶向是有利于在 DDS 中使用的另一個優勢。此外，它們在體液中高度穩定，很容易與受體細胞融合。最后，可以將外源藥物加載到外泌體中以針對特定疾病。由于這些原因，外泌體已顯示出其在治療各種疾病方面的潛力。

皮膚組織

皮膚是人體最大的器官，充當外部和內部環境之間的保護屏障。這種感覺器官還負責調節體溫和向環境中釋放濕氣。皮膚厚度因身體部位而異，例如眼睛下方、手掌、上背部等。從解剖學的角度來看，人體皮膚具有由三層組成的復雜結構：表皮、真皮和皮下組織。

皮膚治療的必要性

隨著生活的進步，皮膚的物理變化是證明機體衰老的第一個觀察結果。自古以來，人們就努力通過抗衰老治療來改善皮膚質量。在當今，皮膚是提升自尊和自我一致性的社交生活中的重要組成部分。

因此，化妝品和醫美行業已經引入了各種抗衰老治療。皮膚老化由外在（環境方面：紫外線照射、空氣污染、吸煙和營養缺乏）和內在（細胞和荷爾蒙變化）因素決定，導致功能和再生潛力的喪失。

尤其是皮膚內在老化是一個時間依賴性和不可避免的過程。損害皮膚的因素之一是活性氧 (ROS) 的形成，它會加速皮膚的老化過程。

結果，表皮層由于角質形成細胞萎縮而變薄。這會導致水分流失，從而增加皮膚的干燥和粗糙 。另一個因素是端粒磨損加速，端粒縮短，導致皮膚老化。端粒是保護染色體末端的蛋白質-DNA 結構，避免末端 DNA 序列的丟失。隨著端粒隨著時間的推移而縮短，細胞會衰老。

細胞衰老會引起皮膚不同層的變化，加劇皮膚老化。然而，阻止端粒縮短可能會產生嚴重的后果，例如癌癥的形成 。此外，包括膠原蛋白和彈性蛋白在內的細胞外基質 (ECM) 成分由于基質金屬蛋白酶 (MMP) 表達增加而減少，導致結構完整性喪失（拉伸強度和彈性降低）。相應地，真皮和表皮之間的連接減少導致皮膚變薄。因此，在老化的皮膚中觀察到皺紋的形成。所有這些因素都會逐漸改變皮膚的細胞內環境，導致皮膚形態發生變化。

老化前后的皮膚結構

特應性皮炎

特應性皮炎 (AD) 是兒童最常見的炎癥性皮膚病之一，其中 AD 的主要癥狀是瘙癢，可引起焦慮、抑郁或社交回避，從而影響生活質量。此外，AD 會增加患其他疾病的風險，包括過敏性鼻炎或哮喘。

AD的主要原因被認為是皮膚屏障和免疫反應的功能障礙。簡而言之，AD 中 T 輔助 (Th) 淋巴細胞 2 反應的優勢通過表達包括白細胞介素 (IL)-4 和 IL-13 在內的細胞因子來啟動屏障功能的破壞和免疫功能障礙 。

具體而言，關鍵的炎性細胞因子 IL-4 和 IL-13 負責下調參與表皮屏障形成的絲聚蛋白 (FLG) 表達。這會導致過敏反應增加。Th2 表達的另一種細胞因子是與瘙癢的發生相關的 IL-31。

這種細胞因子可以與神經元上的同源受體結合，并通過 Janus 激酶 (JAK) 信號轉導和轉錄激活劑 (STAT) 通路激活瘙癢感覺神經元。抓撓會加劇過敏反應，導致 IL-17 和 IL-22 的表達，IL-17 和 IL-22 分別被認為是 Th17 和 Th22 表皮過度增殖的主要驅動因素。最終，該過程加劇并發展為慢性狀態，即牛皮癬。到目前為止，還沒有開發出有效的 AD 治療方法。

皮膚具有自我修復能力，能夠通過一系列事件來治愈傷口：（1）體內平衡，（2）炎癥，（3）增殖和（4）組織重塑。這是一個連續過程，直到它被中斷、異常或延長導致傷口愈合延遲或慢性傷口形成。

該過程均始于第一階段的穩態，其特征是傷口部位的血管收縮和纖維蛋白凝塊形成。這一步的目的是防止放血，保護血管系統。之后，傷口愈合相關分子（轉化生長因子 (TGF)-β、血小板衍生生長因子 (PDGF)、成纖維細胞生長因子 (FGF) 和表皮生長因子 (EGF)）從凝塊和周圍組織中釋放出來，吸引中性粒細胞、巨噬細胞、內皮細胞和成纖維細胞啟動炎癥反應 。

在下一階段，包括成纖維細胞和內皮細胞在內的細胞參與膠原蛋白的合成、毛細血管生長支持以及傷口部位肉芽組織的形成。最后，傷口愈合過程經歷重塑階段，其中肉芽組織長成無血管瘢痕。然而，延遲或中斷傷口愈合過程會導致皮膚疤痕形成。雖然皮膚修復的機制是眾所周知的，但目前還沒有明確的治療方法。

皮膚治療的重要成分：外泌體

近年來，外泌體對各種皮膚缺陷的影響得到了廣泛的研究。外泌體的主要優點是高穩定性、非免疫排斥和對靶細胞的直接刺激。特別是，外泌體中包含的 miRNA 等來調節各種細胞反應 。因此，單一成分（外泌體）可以產生多種治療效果。

外泌體皮膚再生能力示意圖

Schematic representation showing skin regenerative abilities of exosomes

外泌體的再生能力：血管生成能力

隨著皮膚老化，會發生各種變化，例如 I 型膠原蛋白含量減少、毛細血管網絡紊亂、彈性纖維變性等。這些退行性變化可能導致皮膚組織中的血管結構減少。適當的血管化是健康皮膚的重要組成部分，它為皮膚細胞提供營養供應以維持其活動。因此，可以通過增加血管數量來解決皮膚老化問題。

此外，血管化在傷口愈合中起著重要作用。各種研究已經顯示了外泌體的血管生成特性。在一項研究中，在人臍靜脈內皮細胞 (HUVEC) 上檢查了人脂肪來源的 MSC 分泌的外泌體對血管生成的影響。該研究證明了外泌體中 microRNA (miR-125a) 在血管生成中的潛在作用。miR-125a 的過表達通過靶向 DLL4（Notch 信號通路的配體）增強了 HUVEC 中的血管生成。

在另一項研究中，比較了從年輕和年老志愿者中分離的真皮內皮細胞。因此，在老年志愿者組中，兩組中檢測到的 miR-100、miR-126 和 miR-223 均顯著下調。在這些 microRNA 中，已知 miR-126 參與保護血管和新血管形成。此外，在從人微血管內皮細胞系 (HMEC-1) 提取的外泌體中發現的 miR-214 顯示出血管生成潛力。衰老細胞可以從鄰近細胞分泌的外泌體中吸收 miR-214 以退出衰老狀態。此外，外泌體 miR-214 可以調節血管的形成。

外泌體能夠促進膠原蛋白合成

如前所述，由于老化皮膚中的 I 型膠原蛋白和彈性纖維斷裂，真皮層會受損。因此，重建真皮結構可能會導致皮膚的抗衰老和傷口愈合。已知 MiR-21 可促進皮膚傷口愈合中的角質形成細胞遷移和再上皮化 。

另一項研究表明，miR-21 增強了傷口收縮和膠原蛋白沉積 。例如，來自人類真皮成纖維細胞球體的外泌體被評估用于抗衰老目的。在這項研究中，外泌體在 UVB 照射的裸鼠上進行了測試。

外泌體處理組顯示出增強的膠原蛋白合成和減少的 MMP-1 產生。具體而言，調節 MMP 抑制的 TIMP-1 和 TGF-β 被上調，而 miR-196a 被下調導致膠原合成增加。此外，在外泌體處理后，由于 UVB 照射引起的深而寬的皺紋變得更淺更薄。源自人臍帶血間充質干細胞 (UCB-MSC) 的外泌體對皮膚再生的影響 ，在外泌體中檢測到的各種生長因子中，發現 EGF 的濃度更高。當人真皮成纖維細胞 (HDF) 暴露于外泌體時，膠原蛋白和彈性蛋白的產生得到增強。因此，UCB-MSCs 衍生的外泌體可用于重建真皮層。

調節炎癥

AD是一種由皮膚屏障缺陷引起的炎癥性皮膚病。外泌體可用作治療 AD 的治療成分。?科學家研究了脂肪組織來源的間充質干細胞 (ASC) 來源的外泌體對 AD 治療的影響。ASC-外泌體在小鼠 AD 模型中下調炎癥細胞因子的表達，如 IL-4、IL-23、IL-31 和 TNF-α。

因此，在小鼠模型中以劑量依賴性方式觀察到 AD 癥狀減輕。另一項研究表明，MSC 衍生的外泌體具有平衡 Th1 和 Th2 并抑制局部炎癥反應的能力，可以緩解 AD 癥狀。由于免疫平衡是 AD 的關鍵因素，研究人員研究了在銀屑病患者中高度表達的 miR-210 的作用 。他們在他們的研究中報告說，miR-210 誘導 Th17 和 Th1 細胞分化，同時抑制 STAT6 和 LYN 基因表達導致抑制 Th2 分化。這表明有助于銀屑病的免疫平衡。

結論

在再生醫學領域，外泌體成為 MSC 的有益替代品。這些潛在的納米載體表現出各種皮膚治療的治療特性。對外泌體的好奇心成為了進步和發展的動力。從那時起，已經發表了數千項研究，并且正在研究外泌體以用于商業化目的。

外泌體具有多種有益于皮膚組織再生的能力：（1）血管生成能力，（2）膠原蛋白合成，以及（3）炎癥調節。使用外泌體作為成分，可以克服目前皮膚治療的局限性。此外，這些迷人的生物材料可以整合到癌癥治療和疫苗等各個領域。希望外泌體能在不久的將來為治療各種疾病和癌癥提供一個新的平臺。