工程化BMP2/BMP7细胞外囊泡通过自分泌BMP释放驱动SMAD磷酸化促进骨形成

为解决骨愈合障碍患者治疗中rhBMP2（重组人骨形态发生蛋白2）引发的骨质量低下和副作用问题，Mayo Clinic团队通过基因工程改造间充质干细胞（MSCs），成功制备了携带BMP2和BMP2/7的细胞外囊泡（EVs）。研究发现，BMP2/7-EVs通过激活SMAD磷酸化通路，显著促进成骨分化与钙沉积，在大鼠颅骨缺损模型中达到与rhBMP2相当的骨再生效果，同时避免了游离BMP的局限性。该成果为骨再生治疗提供了新型靶向递送策略，发表于《npj Regenerative Medicine》。

　　

每年全球约有60万患者受骨愈合障碍困扰，现有rhBMP2疗法虽能促进骨形成，却伴随炎症反应、异位骨化及骨脆性增加等副作用。更棘手的是，游离BMP蛋白易被体内拮抗剂中和，且无法实现持续释放。这些瓶颈促使科学家探索更精准的递送系统——细胞外囊泡（EVs）因其天然的低免疫原性和膜保护特性成为理想载体，但此前工程化EVs的骨诱导效率始终不及临床级rhBMP2。

Mayo Clinic的研究团队另辟蹊径，通过慢病毒载体改造人间充质干细胞（MSCs），使其稳定分泌携带BMP2单体的EVs（BMP2-EV）或BMP2/7异二聚体的EVs（BMP2/7-EV）。研究采用纳米颗粒追踪、透射电镜验证EVs粒径（约250nm），Western blot确认CD63/CD9/Flotillin标志物表达；通过体外成骨实验、SMAD磷酸化检测及大鼠颅骨缺损模型，系统评估了其骨再生效能。

Production and characterization of engineered BMP2- and BMP2/7-EV
研究团队构建含T2A自剪切序列的慢病毒载体，实现BMP2与BMP7共表达。RT-qPCR显示转染后BMP2 mRNA提升320倍（LV-BMP2）和227倍（LV-BMP2/7），BMP7在LV-BMP2/7组特异性高表达64倍。Western blot证实EVs内成功包裹BMP蛋白，且保持典型EVs表面标志物。

In vitro characterization of BMP2-EV and BMP2/7-EV impact on bone formation
在MC3T3-E1成骨前体细胞中，BMP2/7-EV处理组16天钙沉积（Alizarin red吸光度0.562）较对照组提高17倍，显著优于BMP2-EV（0.534）。碱性磷酸酶活性检测显示，BMP2/7-EV在第10天诱导活性达6606 U/mg蛋白，是对照组的7倍。基因表达谱分析揭示其精准模拟成骨时序：RUNX2和SP7（osterix）在第3天达峰，而晚期标志物OCN（osteocalcin）和OPN（osteopontin）在第14天显著上调。

BMP2/7-EV impact on recipient cells is mediated by auto/paracrine release
机制研究发现，Noggin（BMP拮抗剂）预处理不影响BMP2/7-EV活性，证实BMP蛋白被囊泡膜保护；而DMH1（BMP I型受体抑制剂）可完全阻断SMAD1/5/9磷酸化。这提示EVs通过内化释放BMP配体，以自分泌/旁分泌方式激活受体。

In vivo application of BMP2/7-EV
在大鼠5mm颅骨缺损模型中，Micro-CT显示BMP2/7-EV组第45天骨体积分数（BV/TV 59.3%）已超越胶原对照组（43.2%），至75天（70.2%）与rhBMP2组（70.6%）无统计学差异。组织学分析显示BMP2/7-EV组骨小梁厚度达729.9μm，较健康骨增加72%，且骨髓腔比例（0.11）更接近生理状态。值得注意的是，rhBMP2组在第30天即出现26.9个/mm²肥大细胞浸润，而BMP2/7-EV组（6.1个/mm²）炎症反应更温和。

该研究首次证实工程化EVs可高效递送BMP异二聚体，通过"囊泡装甲-受体激活-时序调控"三重机制实现生理性骨再生。相较于传统rhBMP2疗法，BMP2/7-EVs具有三大优势：①膜保护作用规避体内拮抗；②低剂量异二聚体实现高效SMAD信号激活；③缓释特性减少炎症风险。这一发现为骨折不愈合、骨缺损等疾病提供了变革性治疗思路，也为其他生长因子的精准递送树立了范式。未来需进一步优化EVs规模化制备工艺，并开展大型动物安全性评价。