外泌体（Exosomes）在原发性骨质疏松症治疗中的前沿进展：机制、应用与转化挑战

本综述系统探讨了外泌体（Exosomes）在原发性骨质疏松症（Primary Osteoporosis）治疗中的潜力与挑战。文章详述了外泌体通过调控Wnt/β-catenin、RANKL/RANK/OPG、MAPK等关键信号通路，影响成骨细胞（Osteoblasts）、破骨细胞（Osteoclasts）及间充质干细胞（MSCs）的功能，并展望其作为药物递送系统和靶向治疗载体的应用前景。尽管目前证据以临床前研究为主，外泌体仍展现出作为现有抗骨质疏松疗法辅助手段的巨大潜力。

　　

Abstract

原发性骨质疏松症已成为全球日益加重的健康负担。尽管抗骨吸收药物和合成代谢剂能够降低骨折风险，但长期用药依从性差、不良反应以及组织靶向性有限等问题仍未得到解决。外泌体（Exosomes）作为一种无细胞的治疗候选策略，展现出巨大潜力。

Background

骨质疏松症是一种以骨量减少和骨微结构破坏为特征的代谢性骨病，主要由骨吸收与骨形成之间的失衡引起。全球范围内，原发性骨质疏松症（尤其是绝经后和老年性骨质疏松）的发病率不断攀升。2020年数据显示，中国20至89岁成年人中骨质疏松的患病率高达13.54%（按WHO标准）和29.49%（按中国标准）。传统治疗方法如双膦酸盐和激素替代疗法虽有一定效果，但存在明显副作用和靶向性不足的问题。

Methods

本文对2010年至2025年5月期间PubMed和Web of Science中收录的关于外泌体与原发性骨质疏松症的英文研究进行了叙述性综合，涵盖机制研究、临床前疗效、递送技术和安全性数据。

Results

外泌体通过成骨信号传导、破骨细胞抑制和抗氧化通路调控骨重塑。在细胞和动物模型中，外泌体制剂可提高成骨细胞活性和功能、增强矿化，并减轻糖皮质激素或雌激素缺乏引起的骨丢失。关键转化变量包括来源选择、分离与表征、载药技术、剂量、给药途径、靶向策略和生物相容性。安全性初步良好，但存在平台异质性。当前证据以临床前为主，标准化生产、生物分布与持久性分析以及剂量-反应关系仍不充分。

Conclusion

外泌体策略是现有骨质疏松疗法的有前景的辅助手段，而非直接替代方案。未来重点包括统一释放标准、与标准药物的头对头比较、验证药效学生物标志物以及早期临床试验。

Clinical Relevance

对于无法耐受或现有药物控制不佳的患者，外泌体策略在质量、安全性和有效性经人体验证后，可能提供未来的靶向辅助治疗。

Introduction

骨质疏松的发病与多种因素相关，包括不同人群的峰值骨量和骨折风险差异。亚洲男性的峰值骨量通常低于白种人，因此在应用白人参考标准时可能导致误诊。外泌体作为细胞释放的微小膜囊泡，因其独特的生物学特性在骨质疏松治疗中显示出广阔前景。几乎所有类型的细胞均可产生外泌体，其携带蛋白质、脂质和核酸等生物活性分子，参与细胞间通讯，并在骨质疏松的发病和进展中发挥重要作用。

本综述聚焦于外泌体的生物学特性、在骨质疏松病理机制中的作用及其治疗潜力，旨在为开发新型治疗策略提供理论基础。与以往综述不同，本文专注于原发性骨质疏松，并将机制通路（如成骨细胞-破骨细胞串扰、氧化应激、免疫调节）与递送/工程问题（如来源选择、分离/表征、载药、骨靶向策略）以及标准化与转化考量（如释放标准、生物分布/持久性分析、药效学生物标志物）相结合。

Application of Exosomes in Basic Research on Primary Osteoporosis

Effects on Osteoblasts/Pre-Osteoblasts

骨髓基质细胞（BMSC）来源的外泌体通过递送成骨性microRNA（如miR-150-3p）增强成骨细胞增殖和分化，上调RUNX2和Osterix表达，并激活MAPK信号通路，同时减少凋亡、增加矿化。

Effects on Osteoclasts and Osteoblast–Osteoclast Crosstalk

破骨细胞来源的外泌体通过lncRNA AW011738/miR-24-2-5p/TREM1轴调控成骨分化和骨量，凸显了骨吸收与形成之间的双向耦合。

Effects on Mesenchymal Stem Cells (MSCs)

经成骨诱导的人脐带间充质干细胞（HucMSC）外泌体富含与MAPK和破骨细胞分化通路相关的microRNA，促进MSC成骨分化并改善雌激素缺乏模型的骨密度。年轻供体血浆外泌体通过miR-142-5p增强MSC增殖、迁移、ALP活性和矿化。植物来源的外泌体样纳米囊泡（PELNs）则通过增强自噬和调节肠道代谢物/微生物群促进人骨髓间充质干细胞（hBMSC）成骨。

Effects on Endothelial Cells and Angiogenesis

内皮祖细胞（EPC）来源的外泌体通过miR-126介导的SPRED1抑制和Raf/ERK激活，刺激内皮细胞增殖、迁移和管形成，增加血管密度和骨再生。内皮细胞来源的外泌体还可通过抑制铁死亡相关损伤减轻糖皮质激素诱导的骨质疏松。

Effects on Immune Cells/Macrophages

BMSC来源的外泌体通过TRIM25驱动M2巨噬细胞极化，抑制炎症信号并增强OVX模型的骨形成。经H₂S预处理的M2巨噬细胞外泌体通过激活β-catenin信号促进MSC成骨和骨缺损修复。

Other Targets and Microenvironmental Context

肌源性外泌体在肌少症相关骨质疏松中部分促进成骨，凸显了肌肉-骨骼轴的通讯。在高血糖/糖尿病环境中，脂肪来源的间充质干细胞（AD-MSC）外泌体抑制NLRP3炎症体并减少骨丢失。

Pathological Mechanisms of Primary Osteoporosis and the Role of Exosomes

原发性骨质疏松的发病主要归因于骨代谢失衡，即骨吸收超过骨形成，导致骨量减少和微结构破坏。外泌体通过介导细胞间信号和物质传递，调控骨代谢过程。例如，破骨细胞来源的外泌体通过lncRNA AW011738/miR-24-2-5p/TREM1轴影响成骨细胞分化。外泌体还与氧化应激和凋亡等病理过程密切相关，其中携带的microRNA可调控这些反应。内皮细胞来源的外泌体（EC-Exos）通过抑制铁蛋白ophagy依赖性铁死亡减轻糖皮质激素诱导的骨质疏松。MSC来源的外泌体则通过多种信号通路（如miR-31-5p/ATF6轴）影响骨代谢，保护椎间盘软骨细胞免于凋亡和钙化。

Experimental Studies on Exosomes in Animal Models of Osteoporosis

在OVX大鼠和小鼠模型中，多种来源的外泌体显示出减轻骨丢失的益处。BMSC来源的外泌体通过TRIM25介导的M2巨噬细胞极化促进骨形成并改善骨微结构。年轻健康个体血浆来源的外泌体通过miR-142-5p增强MSC功能并减少破骨细胞数量。经成骨诱导的HucMSC外泌体（Exo2）比常规培养来源的外泌体（Exo1）具有更强的成骨分化促进作用，并能提高胫骨骨密度和逆转雌激素缺乏模型的骨质疏松。AD-MSC来源的外泌体在糖尿病骨质疏松模型中通过抑制NLRP3炎症体减轻骨丢失。MSC来源的外泌体通过激活Wnt/β-catenin信号通路促进成骨细胞增殖和分化。骨骼肌来源的外泌体在肌少症相关骨质疏松中部分促进成骨。

Strength of Evidence

Reproducibility

多个研究组报告了在啮齿类或斑马鱼骨质疏松模型中外泌体可挽救成骨并部分预防骨丢失，得到微结构读数和骨转换标志物的支持。

Model Limitations

研究持续时间短，缺乏与标准抗骨吸收药/合成代谢剂的对照臂，且临床代表性人群（绝经后/老年表型、合并症、多药治疗）建模不足。

Translational Gaps

需要与标准疗法进行头对头研究、暴露-反应特征（颗粒数和蛋白质）、骨骼生物分布/滞留时间分析以及在临床相关给药计划下的安全性包，以指导首次人体试验设计。

Application of Exosomes in the Treatment of Primary Osteoporosis

Exosome-Mediated Drug Delivery Systems

外泌体作为内源性纳米载体，在骨质疏松药物递送中具有显著优势，包括良好的生物相容性、低免疫原性和穿越生物屏障的能力。它们可携带蛋白质、核酸和脂质等生物活性分子，调控骨代谢相关细胞间信号。例如，通过电穿孔和超声技术可将雌激素载入外泌体用于靶向治疗。表面配体修饰（如糖胺聚糖锚定）可增强外泌体的靶向能力，实现更精确的药物递送。表面功能化可通过基因工程、共价修饰和非共价相互作用实现。在癌症治疗中，表面工程化外泌体已广泛用于增强药物靶向，通过抗体或适体修饰实现特异性识别和递送。

Mechanisms of Exosome Action in Bone Regeneration

外泌体通过多种机制参与骨再生。它们促进成骨细胞增殖和分化，如BMSC来源的外泌体通过递送miR-150-3p调控Runx2和Osterix表达。同时，这些外泌体通过抑制凋亡相关基因表达增强成骨细胞存活，并通过调节MAPK信号通路促进细胞周期进展。外泌体还调控 angiogenesis，如EPC来源的外泌体通过miR-126/SPRED1/Raf/ERK轴增强血管生成，为骨再生提供营养和氧气。此外，外泌体通过调节免疫微环境（如M2巨噬细胞极化）促进骨愈合。

Synergistic Effects of Exosomes with Existing Therapeutic Strategies

外泌体可与常规抗骨质疏松药物（如双膦酸盐和PTH）协同使用，作为药物递送载体增强靶向性和疗效，同时减少全身副作用。例如，载双膦酸盐的外泌体更有效抑制破骨细胞并促进成骨细胞增殖。与物理疗法（如电刺激）结合时，经电刺激预处理的BMSC外泌体（Elec-exo）通过富集氧化磷酸化相关蛋白和激活PI3K-Akt、MAPK通路增强骨再生能力。当Elec-exo封装于硫酸软骨素甲基丙烯酸酯（CSMA）水凝胶中时，可加速大鼠股骨缺损的早期骨再生，效果优于单独应用物理刺激或外泌体。

Comparison with Current Standard Therapies

传统抗骨质疏松药物（如双膦酸盐、地诺单抗、特立帕肽）虽有效，但长期使用伴随胃肠道不耐受、低钙血症、颌骨坏死和非典型股骨骨折等不良反应，且停药后可能出现反弹性椎体骨折。外泌体治疗具有天然来源、选择性、适应性和副作用小等优势，可调节成骨细胞和破骨细胞功能，改善骨密度和微结构。此外，外泌体提供无细胞递送、低免疫原性、对不稳定货物的内在保护以及与可扩展生物加工和质量控制框架的兼容性。它们可通过表面配体展示或载药技术进行工程化改造，以增强骨微环境归巢、调节成骨细胞-破骨细胞串扰和抗氧化反应，并增强与原发性骨质疏松相关的成骨信号通路。然而，标准疗法有大量临床试验数据支持，而外泌体策略主要处于临床前阶段，尚无骨质疏松特异性的人体研究完成。因此，外泌体目前应视为现有药物的潜在辅助手段，而非替代方案。

Strength of Evidence

Reproducibility

骨靶向配体、工程化载药和植物来源外泌体样囊泡等新兴策略在成骨终点显示出一致的改善，但效果大小因来源、分离方法（差速离心vs尺寸排阻色谱/亲和）和载药方法而异。

Model Limitations

制造异质性、稳定性/运输数据有限以及阴性标志物、污染物、内毒素和支原体报告不一致。

Translational Gaps

GMP兼容的放大生产、批次释放标准（特性、纯度、效价、安全性）、验证的靶向性能基准以及与双膦酸盐、地诺单抗或合成代谢剂的比较效应框架尚未建立。

Advances in Exosome Therapy for Primary Osteoporosis

Recent Progress in Exosome Isolation and Purification Technologies

外泌体的分离和纯化是其治疗应用的关键前提。传统方法如超速离心、密度梯度离心和聚合物沉淀存在处理时间长、纯度低和产量有限等问题。近年来，微流体技术因其高通量、高分辨率和低样本消耗成为有前景的方法，通过微通道中的物理或化学环境实现高效分离和富集。免疫亲和捕获技术利用抗体与外泌体表面标志物的特异性结合提高纯度，但需根据外泌体来源选择合适标志物和抗体，且成本较高。纳米材料基分离方法通过纳米颗粒与外泌体的相互作用实现快速分离和富集，具有简单高效的优点。微流体技术因其精确的微尺度操纵和自动化潜力成为外泌体分离的重要候选技术，其无标记分离方法简化操作、降低时间和成本，并有效保留外泌体生物活性。但现有微流体平台在处理临床样本时仍面临挑战。聚乙二醇（PEG）沉淀法因产量高和成本效益好而广受欢迎，虽纯度有限，但与其他分离技术结合可提高效率和纯度。

Application of Exosome-Based Drug Delivery Systems in Osteoporosis Treatment

外泌体作为内源性纳米载体，具有优异的生物相容性、低免疫原性和强大的细胞靶向能力，在药物递送中潜力巨大。在骨质疏松治疗中，外泌体基药物递送系统可实现药物精确递送至病灶，提高疗效并减少副作用。例如，将雌激素封装于BMMSC来源的外泌体中可增加雌激素在骨组织中的积累，支持BMMSC存活并改善治疗效果。其他抗骨质疏松药物如辛伐他汀和淫羊藿苷也可载入外泌体，提高生物利用度和靶向效率。然而，载药效率低、载药外泌体的稳定性和靶向能力等问题仍需优化。

Strength of Evidence

Reproducibility

骨靶向配体、工程化载药和植物来源外泌体样囊泡等新兴策略在成骨终点显示出一致的改善，但效果大小因来源、分离方法（差速离心vs尺寸排阻色谱/亲和）和载药方法而异。

Model Limitations

制造异质性、稳定性/运输数据有限以及阴性标志物、污染物、内毒素和支原体报告不一致。

Translational Gaps

GMP兼容的放大生产、批次释放标准（特性、纯度、效价、安全性）、验证的靶向性能基准以及与双膦酸盐、地诺单抗或合成代谢剂的比较效应框架尚未建立。

Future Prospects of Exosome Therapy for Primary Osteoporosis

Clinical Application Challenges of Exosome Therapy for Osteoporosis

外泌体治疗的临床应用面临多项挑战。首先，外泌体的生产和分离技术尚未完全标准化，导致临床一致性和可重复性问题。当前分离方法通常纯度和效率较低，限制了外泌体的广泛应用。外泌体异质性是临床转化的主要障碍，细胞来源、培养条件和分离技术的差异导致批次间变异，影响货物内容、靶向效率和治疗可预测性。尽管单囊泡分析和高通量RNA测序的最新进展可能提供解决方案，但这些技术仍需标准化以获得监管批准。为提高外泌体治疗效果，研究人员正研究工程化修饰以优化其靶向能力和载药能力。在癌症治疗中，外泌体因其低免疫原性和高生物相容性被视为有前景的药物递送系统，可安全递送治疗剂，但提高载药效率和靶向特异性仍是重要研究领域。此外，外泌体在癌症免疫治疗中的应用备受关注，它们作为天然免疫调节剂可增强抗肿瘤免疫反应。尽管存在挑战，外泌体的临床转化潜力广阔。通过持续优化生产和分离方法，并深入研究其生物学功能和机制，外泌体有望在再生医学、癌症治疗等领域发挥关键作用。未来研究需继续强调标准化生产、靶向优化以及外泌体基疗法在各种疾病中的应用，以促进成功的临床转化。此外，需全面研究外泌体治疗的长期安全性和有效性。现有研究主要基于动物模型和短期临床试验，其对人类的长期影响（如潜在免疫反应或致瘤风险）尚未充分了解。克服这些挑战需要多学科合作，整合材料科学、生物学、医学等相关领域的专业知识，共同推动外泌体基疗法的临床转化。

截至2025年8月27日，尚未发现骨质疏松特异性的干预试验；相邻肌肉骨骼适应症（如膝骨关节炎和牙周炎）已进入早期人体评估（TRL-6），仅有限项目在关节疾病中进入Phase 2（TRL-7）。因此，大多数骨质疏松聚焦的外泌体策略仍处于TRL-3至TRL-5（临床前至IND enabling阶段）。这些数据强调需要标准化效价测定、暴露指标（颗粒和蛋白质）、系统生物分布/安全性包以及对照锚定设计，以弥合到TRL-6+的差距。

Future Research Directions of Exosome Therapy for Osteoporosis

未来工作应优先考虑具体、可测试的步骤，以推动外泌体疗法向临床转化，而非重复现有障碍。分离、表征和效价测定的标准化协议对于确保可重复性和监管合规至关重要，需要改进大规模制造技术以生产质量稳定的外泌体。例如，进一步阐明外泌体中特定microRNA（miRNA）、长链非编码RNA（lncRNA）和蛋白质对成骨细胞和破骨细胞功能的调控网络，将为设计具有增强靶向能力的外泌体疗法提供理论基础。另一方面，重要研究领域是优化外泌体制备和递送技术。开发标准化和高效的大规模生产方法对于提高外泌体产量和保证质量稳定性至关重要。同时，外泌体靶向和递送技术的进步对于提高对骨组织和特定细胞类型的特异性和递送效率，同时减少对非靶组织的影响至关重要。对照锚定的早期研究将明确定位并支持后续具有临床意义结果的随机试验。通过这些领域的全面研究努力，外泌体疗法有望成为骨质疏松治疗的有效策略。

Strength of Evidence

Reproducibility

跨平台的临床前信号支持合理的治疗窗口，但来源、表征组和结果指标的异质性限制了荟萃分析信心。

Model Limitations

当前管道未能充分捕捉年龄相关生物学、衰弱和长期安全性；大多数数据来自短程干预，无慢性暴露评估。

Translational Gaps

需要明确的患者选择、剂量寻找规则、药效学生物标志物和对照控制的早期试验，以及监管级CMC文件和长期安全监测计划，以实现可持续的临床转化。

Conclusion

外泌体基方法在原发性骨质疏松症中显示出鼓舞人心的临床前疗效，通过增强成骨信号、调节破骨细胞活性和减轻氧化应激实现。其转化潜力取决于来源选择、分离与表征、载药和释放标准的严格标准化，以及可靠的生物分布、靶向和安全性评估。当前证据在不同实验室间存在异质性，部分研究报告效果有限或无效果，强调需要统一协议和剂量标准化。优先下一步包括与标准药物的头对头比较、机制与产品对齐（包括靶向策略和质量控制）、验证的药效学生物标志物以及旨在评估安全性和初步疗效的早期临床试验。总体而言，外泌体是现有疗法的有前景的辅助手段而非直接替代品，重点转化工作将决定其在原发性骨质疏松中的临床价值。

Abbreviations

AD-MSC, 脂肪来源的间充质干细胞; ALP, 碱性磷酸酶; BMSC, 骨髓基质细胞; BMMSCs, 骨髓间充质干细胞; CD44, 分化簇44; CD63, 分化簇63; CD9, 分化簇9; DN, 去神经; DEX, 地塞米松; EPC, 内皮祖细胞; ES, 电刺激; EV, 细胞外囊泡; EVs, 细胞外囊泡; ERK, 细胞外信号调节激酶; GCLC, 谷氨酸-半胱氨酸连接酶催化亚基; GFP, 绿色荧光蛋白; GIOP, 糖皮质激素诱导的骨质疏松; GSTP, 谷胱甘肽S-转移酶pi; hBMSC, 人骨髓来源的间充质干细胞; HucMSC, 人脐带间充质干细胞; lncRNA, 长链非编码RNA; MAPK, 丝裂原活化蛋白激酶; MC3T3-E1, 小鼠颅骨前成骨细胞系; MSC, 间充质干细胞; NLRP3, NOD样受体家族pyrin域包含3; NQO1, NAD(P)H醌脱氢酶1; Nrf2, 核因子 erythroid 2–相关因子2; PDN, 泼尼松龙; PI3K-Akt, 磷酸肌醇3-激酶–蛋白激酶B信号通路; Raf, 快速加速纤维肉瘤; RUNX2, runt相关转录因子2; SPRED1, sprouty相关EVH1域包含蛋白1; SPRY1, sprouty同源物1。

Author Contributions

所有作者对报告的工作做出了重大贡献，无论是在构思、研究设计、执行、数据获取、分析和解释方面，还是在所有