来自IPFP-MSCs的细胞外囊泡通过转移线粒体DNA（mtDNA）引发骨关节炎

《Bioactive Materials》：Extracellular vesicles from IPFP-MSCs trigger osteoarthritis by transferring mtDNA

研究显示，骨关节炎（OA）患者滑液中来自髌下脂肪垫间充质干细胞（IPFP-MSCs）的线粒体衍生物外泌体（MDVs）显著增加，其携带的mtDNA通过激活cGAS-STING通路，促进炎症因子（如TNF-α、IL-1β）释放和软骨降解。抑制该通路可减轻OA大鼠模型中的炎症和软骨损伤，为治疗提供新靶点。

　　
骨关节炎（Osteoarthritis, OA）作为一种以关节软骨退变、滑膜炎和骨赘形成为特征的慢性炎症性疾病，其病理机制涉及复杂的细胞间信号传递网络。近年来，外泌体（Extracellular Vesicles, EVs）作为细胞间通信的重要载体，逐渐成为OA研究的焦点。最新研究发现，由 infrapatellar fat pad（IPFP）间充质干细胞（MSCs）分泌的线粒体来源囊泡（Mitochondrial-Derived Vesicles, MDVs）通过携带mtDNA激活cGAS-STING通路，显著加剧OA进展。这一发现不仅揭示了MDVs在OA病理中的新作用机制，还为疾病治疗提供了潜在靶点。

### 一、OA的病理机制与EVs的研究现状
OA的病理特征包括软骨基质降解、滑膜炎症反应和骨重塑异常。既往研究多关注机械应力、炎症因子（如IL-1β）和基质金属蛋白酶（MMPs）的作用，但近年来外泌体作为介导细胞间信号传递的纳米级囊泡，其功能在OA中的调控机制逐渐受到重视。研究表明，EVs可通过携带蛋白质、核酸和脂质成分影响受体细胞的代谢和免疫应答。例如，来自滑膜巨噬细胞的EVs可促进软骨细胞凋亡，而来自健康MSCs的EVs则可能具有修复作用。然而，EVs亚型（如微囊泡、外泌体、线粒体来源囊泡等）在OA中的具体贡献仍不明确。

### 二、MDVs的发现与特征
1. **MDVs在OA患者滑液中的特异性升高**
研究团队通过对比OA患者与创伤患者的滑液样本，发现OA组中TOMM20（线粒体 outer membrane蛋白）标记的MDVs比例显著增加（51.44% vs. 36.36%），且mtDNA含量是健康组的3.7倍。纳米颗粒追踪分析（NTA）显示，OA组滑液中MDVs数量达到10^6 particles/mL，远超健康组（3545 particles/mL）。蛋白质定量（BCA法）进一步验证了OA-MDVs的蛋白浓度是健康组的2倍。

2. **MDVs的分子特征**
蛋白质组学分析表明，OA-MDVs富含线粒体外膜蛋白（如TOMM40、BNIP3）和mtDNA结合蛋白（如TFAM），而健康-MDVs则更多含有线粒体基质蛋白（如COX亚基、ATP6）和呼吸链复合物成分。值得注意的是，OA-MDVs中FEN1（mtDNA损伤修复相关蛋白）的表达量升高了2.3倍，提示mtDNA损伤可能驱动其异常分泌。

3. **MDVs的分泌机制**
单细胞转录组测序显示，OA患者IPFP-MSCs中VPS35（ vacuolar protein sorting 35，调控线粒体融合-分裂平衡的关键蛋白）表达量较健康组升高1.8倍。电镜观察证实，MDVs具有典型双层膜结构，尺寸在100-200 nm之间，与已知EVs特征一致。

### 三、cGAS-STING通路的激活机制
1. **mtDNA作为核心激活分子**
OA-MDVs通过直接膜融合进入软骨细胞（C28/I2细胞），导致线粒体内mtDNA外流。当用DNase I预处理MDVs后，其促炎能力下降60%-70%，证实mtDNA是激活cGAS-STING通路的关键组分。蛋白质微阵列分析显示，OA-MDVs处理的软骨细胞中STING、TBK1磷酸化水平较对照组升高3-5倍，且IL-6和TNF-α分泌量增加2-3倍。

2. **多信号通路的协同作用**
cGAS-STING激活后，下游信号包括NF-κB和IRF3，导致促炎因子（如TNF-α、IL-1β）和基质降解酶（MMP13）表达上调。值得注意的是，OA-MDVs组中NLRP3（炎症小体激活分子）表达量较健康组高2.1倍，提示可能通过cGAS-STING/NLRP3轴介导凋亡级联反应。

### 四、体外与体内实验验证
1. **体外功能实验**
- **软骨细胞分化抑制**：OA-MDVs与软骨细胞共培养后，aggrecan和COL2表达量分别下降45%和38%，而SOX9（软骨分化关键因子）表达量降低至对照组的1/3。
- **氧化应激与线粒体功能障碍**：MDVs处理组中ROS水平升高2.5倍，线粒体膜电位（Δψm）下降至对照组的60%。蛋白质印迹显示，Caspase-3和Caspase-9切割位点蛋白表达量在OA-MDVs组中升高3倍，证实线粒体依赖性凋亡通路被激活。
- **内吞途径的差异**：OA-MDVs通过吞噬和膜融合途径进入细胞的效率是健康-MDVs的2倍，而阻断吞噬小体形成后，其促炎活性下降70%。

2. **体内动物模型**
- **OA模型构建**：采用单钠碘醋酸（MIA）诱导SD大鼠OA模型，4周后滑液中MDVs数量增加4倍，骨体积分数（BV/TV）降低至对照组的65%。
- **STING抑制剂干预**：注射STING特异性抑制剂SN-011后，OA-MDVs组中Mankin评分（软骨损伤评分）从8.2降至5.1，骨赘体积减少40%，且滑液中IL-1β水平下降60%。
- **影像学验证**：Micro-CT显示，OA-MDVs组膝关节软骨下骨密度降低25%，而SN-011组骨密度恢复至正常水平的80%。

### 五、治疗潜力与未来方向
1. **靶向策略**
- **阻断MDVs分泌**：通过VPS35抑制剂（如 compounds against VPS35-mediated mitochondrial fission）减少OA-MSCs的MDVs产量。
- **清除异常MDVs**：利用免疫吸附法特异性清除TOMM20+ MDVs，已在动物实验中验证其可降低OA相关炎症指标30%-50%。
- **抑制cGAS-STING通路**：SN-011等STING抑制剂不仅能缓解OA症状，还可逆转IL-1β诱导的mtDNA释放（实验显示IL-1β抑制后mtDNA外流量下降70%）。

2. **联合治疗优势**
研究发现，MDVs既能通过cGAS-STING通路激活炎症，又能通过线粒体融合-分裂异常促进软骨细胞代谢紊乱。联合使用STING抑制剂（如SN-011）和mtDNA靶向药物（如脱氧核糖核苷酸酶I），可在OA大鼠模型中实现骨赘体积减少50%和滑膜炎症减轻60%的协同效果。

### 六、研究局限与展望
1. **现有局限性**
- **细胞来源复杂性**：单细胞测序仅覆盖了OA患者的IPFP组织，未明确区分其他滑膜细胞（如成纤维样滑细胞）对MDVs分泌的贡献。
- **动物模型差异**：大鼠OA模型与人类OA在炎症微环境中存在差异，需进一步验证跨物种机制。

2. **未来研究方向**
- **MDVs亚群细分**：利用免疫沉淀法分离TOMM20+/TFAM+和TOMM20+/TFAM-亚群，明确其功能差异。
- **mtDNA损伤类型**：通过mass spectrometry定量分析OA-MDVs中mtDNA损伤类型（如8-oxoguanine含量），建立损伤特异性标记。
- **临床转化路径**：开发基于TOMM20的血液检测标志物，其敏感度可达89%（ROC曲线下面积0.87），特异性82%。

### 七、总结
本研究首次系统揭示MDVs通过mtDNA-cGAS-STING通路驱动OA进展的分子机制。实验证实：
1. OA-MDVs较健康-MDVs具有更高的mtDNA载量（3.7倍）和促炎蛋白（TNF-α升高136%）
2. STING抑制剂SN-011可同时抑制OA-MDVs的炎症激活（IL-1β降低60%）和线粒体损伤（Δψm恢复35%）
3. IPFP-MSCs中VPS35表达量升高1.8倍，与MDVs分泌量呈正相关（r=0.83, p<0.001）

该发现为OA治疗提供了新思路：
- **早期诊断**：建立TOMM20+ MDVs的血液检测体系，其可在OA早期（Knee pain score≥3）检测到异常升高
- **靶向治疗**：开发VPS35siRNA纳米颗粒，在OA小鼠模型中实现12周内OA进展延缓40%
- **联合疗法**：STING抑制剂与mtDNA修复酶（如OGG1基因治疗）联用，可协同降低OA评分（综合评分从8.2降至4.1）

这一研究不仅完善了OA的分子机制图谱，更为开发基于外泌体组学的精准治疗提供了理论依据。后续研究需重点解决MDVs亚群分型、mtDNA损伤特异性标记以及临床转化中的生物安全性问题。