北京协和医院：经磁场和磁性纳米粒子预处理间充质干细胞后的外泌体，让骨骼长起来

撰文：步步先生

来源：干细胞者说

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通常情况，外伤、肿瘤或感染会引起大面积的骨缺损，如何治疗仍然是骨科医生面临的巨大挑战。骨缺损严重延迟愈合甚至不愈合，损害着患者的肌肉和骨骼功能。

目前，骨修复的标准临床治疗方法是自体和同种异体骨移植。但存在一定的局限性，如供应不足、供体引起的并发症、疾病传播的风险等。骨组织工程（包括生物支架、细胞和生长因子）的出现，为克服这些局限提供了一种很有前景的方法，近年来引起了研究者的广泛关注。

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基础知识介绍

间充质干细外泌体和血管新生

血管生成在成骨中非常重要。因为供养和供氧不能离开血管方圆200μm之内，否则没有良好的血供，细胞就活不下去，新骨形成自然受到阻碍。所以，高效的血管生成对于骨形成再生是非常必要的。骨髓间充质干细胞（BMSCs）是促进成骨和血管新生的潜在治疗剂。前期研究表明，在磁性条件下培养的BMSCs产生的外泌体可促进伤口愈合。

外泌体是一种直径为30-150nm的细胞外囊泡，具有独特的介导细胞间通信和相互作用。间充质干细胞外泌体（MSC-Exos）在组织修复和再生中起着重要作用，同时可以避免细胞移植风险和免疫反应，在储存和运输方面也相对容易。

磁性纳米粒子

磁性纳米粒子（MNPs）在骨组织工程中具有潜在的应用价值（磁性材料如 γ-Fe2O3和Fe3O4），可促进成骨和血管生成。研究发现，经静磁场（SMF）刺激的种植体，可促进骨愈合。研究还表明，SMF还可改善牙种植体周围的骨再生。低剂量的MNPs 是安全有效的，现已被FDA批准用于治疗缺铁性贫血。研究发现，如果将氧化铁纳米粒子 (IONPs) 注射到梗塞的心脏中，经磁引导可减少细胞凋亡和纤维化，并增强血管生成能力和有助于心脏功能恢复。

在骨缺损修复治疗过程中，如果磁性纳米粒子结合外泌体使用，或许会起到更好的治疗效果。如果同时用静磁场处理一下呢，是不是效果更棒？

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磁场或磁性材料影响下的干细胞外泌体

近日，中国医学科学院北京协和医院吴志宏、邱贵兴、王海课题组报道了一项研究成果，经磁场或低剂量磁性纳米粒子进行预处理骨髓间充质干细胞获得的外泌体，可在骨再生过程中促进成骨和促进血管生成。这项工作为未来组织工程的骨再生提供一种新的方案。这项研究发表在Journal of Nanobiotechnology 上。

研究思路

1. 通过磁性纳米颗粒和/或静磁场刺激预处理BMSCs，获得两种新型外泌体，并进行鉴定。

2. 进行体外实验，测定了外泌体促进细胞增殖、细胞迁移、成骨分化和成血管情况。

3. 进行体内试验，测定外泌体对颅骨缺损大鼠模型的成骨和成血管情况。

4. 比较外泌体中的miRNA图谱，探讨其促进成骨和成血管可能的机制。

5. 通过体外功能获得和丧失实验，验证第4步的猜想。

体外实验

静磁场刺激BMSCs后的外泌体成骨能力增强

磁场刺激BMSCs后的外泌体成血管能力增强

体外实验证明，选择50 µg/mL Fe3O4纳米颗粒和100 mT SMF是制造两种新外泌体（BMSC-Fe3O4-Exos 和 BMSC-Fe3O4-SMF-Exos）的最佳磁性条件。与BMSC-Exos 相比，这两种新外泌体在体外被证实可增强成骨和血管生成，其中 BMSC-Fe3O4-SMF-Exos 效果最显著。

动物实验

体内功能实验

大鼠颅骨缺损模型实验证实，与 BMSC-Exos 相比，两种新型外泌体在大鼠模型里被证实更有利于增强成骨和血管生成能力，其中 BMSC-Fe3O4-SMF-Exos 效果最显著。

外泌体促进骨再生的可能机制

BMSC-Fe3O4-SMF-Exos 促进成骨和成血管机制

体外和体内实验均显示，BMSC-Fe3O4-SMF-Exos比BMSC-Exos更有效地促进成骨和血管生成。这种促进作用与BMSC-Fe3O4-SMF-Exos 中高度丰富的 miR-1260a 有关。

在这项研究中，研究者发现经Fe3O4纳米颗粒与SMF联合预处理的BMSCs释放的外显子中miR-1260a的丰度显著增加，并且研究表明BMSCs和HUVECs可以吸收BMSC-Fe3O4-SMF-Exos。此外，miR-1260a分别通过抑制HDAC7和 COL4A2 来增强成骨和血管生成。

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文末小结

本研究证实，经低剂量磁性纳米粒子（Fe3O4 纳米颗粒）与静磁场预处理间充质干细胞后产生的外泌体，可增强本身的成骨和血管生成能力，在骨缺损的治疗过程中有利于新骨再生。究其机制，可能是外泌体中miR-1260a靶向 HDAC7 和 COL4A2 在骨再生过程中起着至关重要的作用。 这项研究为组织工程促进骨再生提供了一种新的方法。

原文链接：

https://jnanobiotechnology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12951-021-00958-6

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