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这篇综述聚焦椎间盘退变（IVDD），详细阐述了细胞外囊泡（EVs）治疗 IVDD 的潜力。文章介绍了 IVDD 的病理机制，分析了 EVs 的特性、功能及在 IVDD 治疗中的作用机制，探讨了面临的挑战与前景，为相关研究提供了全面参考。
椎间盘退变概述
椎间盘退变（IVDD）是威胁老年人健康的多因素退行性疾病，常引发慢性腰腿痛，给个人和医疗系统带来沉重负担。其发病与遗传、机械负荷、营养、衰老等因素相关，久坐、不当负重等不良习惯会加重病情。
椎间盘结构
人体脊柱由 26 块椎骨构成，椎间盘位于椎体之间，是重要的承重结构，由髓核（NP）、纤维环（AF）和上下软骨终板（CEP）组成。NP 富含水分、II 型胶原（Coll-II）和蛋白多糖（PGs），能维持细胞渗透压和活力，但随年龄增长，PGs 和糖胺聚糖流失，导致组织水化能力下降、纤维化，进而影响椎间盘功能。AF 由多层胶原纤维和 PGs 组成，外层为 I 型胶原纤维，提供支撑和保护；内层主要是 Coll-II 纤维，还能分泌外泌体抑制 NP 血管化。CEP 则有助于物质运输和气体交换。然而，IVDD 时，椎间盘各部分结构和功能都会发生改变，如 NP 脱水、AF 退变、CEP 钙化等，同时血管供应不足，营养物质难以到达，使得椎间盘修复能力受限，损伤难以逆转 。
病理生理学
IVDD 的病理变化多样，NP 组织水化减少，导致承载能力下降、缓冲作用减弱，增加了 AF 的压力，使其易发生僵硬、退变。长期不良姿势和重体力劳动会使椎间盘压力骤增，引发纤维环破裂、后纵韧带损伤，压迫神经，导致腰腿痛。此外，疼痛会促使应激相关皮质醇水平升高，抑制间充质干细胞（MSCs）的成软骨分化，减少细胞外基质（ECM）形成。同时，炎症反应在 IVDD 中起着关键作用，肿瘤坏死因子 -α（TNF-α）、白细胞介素 - 1β（IL-1β）等促炎细胞因子的释放，会招募免疫细胞，激活免疫炎症反应，促进 ECM 降解。代谢失衡导致晚期糖基化终末产物（AGEs）在 NP 细胞中积累，引发氧化应激，进一步分泌炎症因子，加重 ECM 降解 。
退变诱导因素
巨噬细胞在 IVDD 中扮演重要角色，根据所处环境不同，可分为 M1 和 M2 两种亚型。M1 巨噬细胞在炎症早期被激活，分泌一氧化氮、IL-6 和 TNF-α 等炎症介质，促进炎症进展；M2 巨噬细胞则具有抗炎和组织修复功能。在退变的 NP 组织中，M1 和 M2c 巨噬细胞的标记物表达较高。
维生素 D 是调节钙磷吸收的重要激素，其受体基因（VDR）与 IVDD 密切相关。不同的 VDR 基因多态性在不同种族人群中与 IVDD 存在显著关联，维生素 D 缺乏会导致小鼠出现椎间盘缺陷，补充外源性骨化三醇则有助于 ECM 重塑和减少 NP 细胞凋亡。
非编码 RNA（ncRNAs）包括微小 RNA（miRNAs）、长链非编码 RNA（lncRNAs）和环状 RNA（circRNAs），在 IVDD 中发挥着重要的调控作用。例如，miR-4450 在退变椎间盘组织中高表达，通过靶向 ZNF121 加重 NP 细胞损伤；lncRNA XIST 通过竞争性结合 miR-19，上调 PTEN 表达，促进 NP 细胞退变和自噬；circ_0004354 通过竞争性结合 miR-345-3p，诱导 NP 细胞凋亡和焦亡 。
临床治疗策略
目前 IVDD 的治疗方法主要包括非药物治疗、药物治疗和手术治疗，但都存在一定的局限性。
非药物治疗如运动、腰椎肌肉训练、针灸、理疗等，主要通过改善症状来缓解病情，但无法阻止 IVDD 的进展。药物治疗使用非甾体抗炎药、阿片类药物、类固醇和激素等，虽能缓解疼痛，但存在药物不良反应，如非甾体抗炎药可能导致胃肠道毒性、心血管风险增加和肾功能损害等 。
手术治疗包括开放手术和微创手术，如单纯 NP 切除、腰椎后路减压融合术和全椎间盘置换术等，可缓解严重的腰腿痛症状，但也伴随着手术并发症，如感染、出血、深静脉血栓形成、神经损伤等 。因此，迫切需要开发新的治疗方法来延缓 IVDD 进程。
生物疗法
生物疗法为 IVDD 的治疗带来了新的希望，其中干细胞治疗和细胞外囊泡治疗是研究的热点。
干细胞治疗通过将各种来源的 MSCs 引入椎间盘组织，利用其多向分化潜能修复 ECM。例如，NP 细胞来源的外泌体可诱导 MSCs 分化为髓核样细胞，共培养脂肪来源的干细胞和 NP 细胞能促进 NP 细胞标记基因的表达。然而，IVDD 组织的高渗透压和酸性环境对细胞移植是巨大挑战，同时干细胞采集的侵入性、免疫排斥和伦理问题也限制了其临床应用 。
相比之下，细胞外囊泡（EVs）作为一种新兴的治疗手段，具有独特的优势。EVs 是细胞分泌的脂质双层结构，可分为外泌体、微囊泡和凋亡小体，能携带蛋白质、核酸和脂质等物质，在细胞间通讯中发挥重要作用。EVs 可来源于多种细胞，如骨髓、脐带、脂肪组织等，且具有良好的生物相容性，不易引发免疫排斥反应，在 IVDD 治疗中展现出巨大的潜力 。
细胞外囊泡
生物发生与释放
外泌体的形成始于内吞作用，细胞膜在刺激下内陷形成早期内体，早期内体成熟为晚期内体过程中，pH 值降低，腔内形成多个小囊泡（ILVs），最终晚期内体与细胞膜融合，释放外泌体。凋亡小体则是细胞凋亡时，染色质凝聚、细胞核碎片化，细胞膜起泡并包裹细胞内容物形成的。微囊泡的形成与小 GTPase 家族中的 Rho 蛋白有关，它调节细胞骨架和细胞膜流动性，促使细胞膜出芽形成微囊泡 。
表面标记和货物成分
EVs 含有多种蛋白质，如参与外泌体运输的跨膜蛋白家族（CD55、CD59、CD63 等）、黏附分子（CD29、CD44 等）、热休克蛋白等，这些蛋白可作为区分 EVs 亚群的标记。同时，EVs 还富含脂质和核酸，如基因组 DNA、线粒体 DNA、非编码 RNA 等，这些成分被脂质膜包裹，使其能有效运输到靶细胞 。
功能
EVs 最初被认为是细胞的废弃物，但现在发现它能通过信号传递和物质运输发挥细胞间调节作用，如抑制细胞衰老、调节细胞代谢和促进细胞再生。例如，工程化修饰的外泌体可增强其靶向性和稳定性，用于肿瘤治疗；在神经系统疾病中，外泌体可清除淀粉样 β 肽，发挥神经保护作用 。
分离和富集
目前，EVs 的分离和纯化方法多样，但尚无统一的标准。常用的方法包括差速超速离心法、聚合物沉淀法、尺寸排阻色谱法、免疫沉淀法和阴离子交换色谱法等。差速超速离心法是传统方法，但易损伤 EVs 且纯度有限；尺寸排阻色谱法可分离出结构完整的小分子 EVs，但难以完全分离脂蛋白；免疫沉淀法利用抗原 - 抗体特异性结合，能特异性捕获 EVs 。
评价
对 EVs 的评价包括物理和化学分析。物理分析主要检测颗粒大小、形态和浓度，常用技术有透射电子显微镜（TEM）、纳米颗粒跟踪分析（NTA）、动态光散射（DLS）和纳米流式细胞术等。化学分析则侧重于检测细胞蛋白、表面抗原等，如免疫印迹法可检测 EVs 的标记蛋白，此外还有 EVs 追踪技术，如使用荧光染料标记后观察其在细胞内的内化情况 。
细胞外囊泡在 IVDD 治疗中的应用与机制
工程化细胞外囊泡治疗 IVDD
为提高 EVs 的治疗效果，可对其进行工程化改造，如装载药物、细胞因子、核苷酸片段等。药物装载方法包括物理和化学诱导，表面蛋白修饰可增强其靶向性。例如，在骨关节炎治疗中，将 E7 肽与外泌体表面的 LAMP-2B 结合，可促进滑膜液来源的间充质干细胞（SF-MSCs）的软骨分化。同时，结合生物材料工程，如设计乳酸 - 聚乳酸微球水凝胶载体，可实现 EVs 在 IVD 组织中的控释，增强其治疗效果 。
细胞外囊泡治疗 IVDD 的机制
- 炎症调节：IVDD 常伴随无菌性炎症，促炎因子如 TNF-α、IL-1β 等升高，导致 ECM 降解和细胞死亡。脂肪组织来源的间充质干细胞外泌体可抑制 NF-κB 核转位，减少 NPCs 中 TNF 诱导的促炎因子表达；富含血小板血浆（PRP）来源的 EVs 通过 miR25-3p 抑制 SOX4 基因表达，减轻 IL-1β 诱导的细胞退变 。
- 抗凋亡作用：细胞凋亡在 IVDD 中起重要作用，UCMSC 来源的外泌体可调节 Bcl-2/Bax 比值，上调 Coll-II 和 PGs 水平，减轻高糖对 NPCs 的损伤；MSCs 来源的 EVs 富含 miR21，可抑制 PTEN，激活 PI3K-AKT 通路，减少 NPCs 凋亡 。
- 抑制焦亡：细胞焦亡是 IVDD 中的一种炎症性细胞死亡方式，MSCs 来源的 EVs 中的 miR-199a 可降低 NLRP3、GSDMD 和裂解的 caspase-1 水平，抑制 NPCs 焦亡；PRP 来源的 EVs 通过 miR-141-3p 靶向 Keap1，上调 Nrf2，抑制 NPCs 中 H2O2诱导的炎症因子产生 。
- 调节铁死亡：铁死亡是一种铁依赖性的氧化细胞死亡途径，骨髓 MSCs 来源的 EVs 通过 circ_0072464 上调 NRF2，下调 ACSL4，上调 GPX4，降低铁蛋白轻链（FTL）和游离铁水平，抑制 NPCs 铁死亡；circ_0050205 可作为 miR-665 的海绵，增加 GPX4 表达，减少游离铁产生 。
- 调控自噬：细胞自噬是维持细胞稳态的重要机制，骨髓 MSCs 来源的 EVs 可通过 AKT-mTOR 通路激活 NPCs 自噬，提高 LCII/I 水平；在 AF 细胞中，BMSC 来源的 EVs 也与自噬相关；同时，自噬可促进 NPCs 释放含有 miR-27a 的 EVs，抑制基质降解蛋白 MMP13 的活性 。
- 减轻氧化应激：氧化应激与 IVDD 进展密切相关，MSCs 来源的 EVs 可修复线粒体损伤，减少内源性 ROS 积累；PRP 来源的 EVs 可上调 PGC1α，降低 ROS 水平，稳定线粒体膜电位，增强 ATP 生成 。
- 缓解内质网应激：内质网（ER）功能障碍在 IVDD 中起重要作用，AGEs 可诱导 NPCs 内质网应激，BMSC 来源的外泌体可抑制 ATF6、IRE1α 和 ATF4 表达，减少 CHOP 转录，降低下游 Caspase-3 和 Caspase-12 的激活，改善细胞凋亡；尿液来源的干细胞外泌体可降低 NP 细胞中 GRP78 和 CHOP 的表达，减轻内质网应激 。
- 促进 ECM 重建：ECM 的平衡对维持椎间盘功能至关重要，骨髓 MSCs 来源的 EVs 可诱导树突状细胞增殖，促进 PGs 和糖胺聚糖（GAGs）积累，增强 ACAN 蛋白表达；VASN 蛋白可激活 Notch 信号通路，促进 IVD 修复和再生；不同细胞来源的 EVs 还可通过调节相关信号通路，促进 NPCs 增殖和 ECM 合成 。
- 延缓细胞衰老：细胞衰老与 IVDD 的发生发展相关，脂肪细胞来源的细胞外囊泡（Adipo-sEVs）中的 NAMPT 可激活 NAD+和 Sirt1 通路，恢复老年 NPCs 的活力；iPSCs 来源的 EVs 中的 miR-105-5p 可激活 Sirt6 通路，延缓 NPCs 衰老 。
挑战与前景
尽管 EVs 在 IVDD 治疗的研究中展现出潜力，但仍面临诸多挑战。
目前的动物模型多为啮齿动物的尾椎模型，其解剖结构和生理特征与人类差异较大，实验结果难以完全外推至人体。而且现有研究多聚焦于特定机制，缺乏对 EVs 整体治疗效果的综合评估，未来需优化动物模型，采用更接近人类的大动物模型 。
EVs 的生物学功能受其来源细胞、提取方法和制备过程的影响，但目前 EVs 的分离和纯化方法尚未标准化，不同方法获得的 EVs 产量和纯度差异较大，影响治疗效果的可重复性和临床应用，因此需要建立标准化的制备流程 。
在临床前研究中，EVs 的给药剂量和递送方式缺乏统一标准。由于椎间盘的无血管和高压环境，EVs 的扩散和持久性受限，难以达到长期有效的治疗浓度。此外，EVs 的生物安全性和最佳治疗剂量也有待进一步评估，未来需探索更有效的给药策略，结合生物材料延长 EVs 的滞留时间 。
EVs 的生产成本较高，尤其是大规模生产用于人体治疗时，平衡成本和产量是一大挑战。同时，EVs 的长期安全性尚未得到充分验证，重复注射或高剂量使用可能存在免疫反应等风险，因此在进入临床试验前需进行全面的安全性评估，并制定详细的临床应用方案 。
尽管面临挑战，但随着生物工程技术的不断进步，EVs 表面修饰和药物装载技术的改进有望提高其靶向性和治疗效果。结合生物材料的递送系统可延长其治疗时间，随着对 IVDD 病理机制的深入理解，EVs 的多方面调节特性将为 IVDD 的治疗提供独特优势，未来有望成为延缓或逆转 IVDD 进程的有效生物疗法 。
结论
本文全面总结了 EVs 在细胞和分子水平对抗 IVDD 致病因素的机制。IVDD 涉及多种复杂的细胞失活机制，如凋亡、焦亡、自噬、氧化应激和线粒体损伤等，给治疗带来挑战。而 EVs 通过介导细胞间通讯，可干预和调节 NP 组织中的多种生理和病理过程，为延缓 IVDD 提供了新的潜在途径 。
目前，对 EVs 治疗 IVDD 的不良反应了解有限，实验中使用的 EVs 浓度范围较广，其生物安全性尚需进一步明确，未来应确定更可靠的给药策略。此外，并非所有 EVs 都对 IVD 健康有益，如退变组织中内皮微粒可刺激 AF 细胞，降解 ECM 。
尽管如此，EVs 在体内实验和细胞分子水平均显示出一定疗效，大鼠尾注射模型也证明了其治疗 IVDD 的整体效果。然而，单独的 EVs 注射治疗作用时间短，难以达到有效治疗浓度，且在给药方式、浓度和频率等方面尚未达成共识，导致其临床转化速度较慢。但干细胞来源的 EVs 在 IVDD 研究中具有一定有效性，是一种极具前景的治疗策略 。
