人脐带间充质干细胞来源外泌体通过调控巨噬细胞骨架重塑抑制细胞焦亡以缓解矽肺纤维化

　　本刊推荐：为探索矽肺纤维化治疗新策略，研究人员开展人脐带间充质干细胞（hucMSCs）及其外泌体（hucMSC-Exos）干预研究。通过体内外实验证实hucMSC-Exos通过激活Rho GTPase信号通路调控巨噬细胞骨架重组，维持细胞膜完整性并抑制NLRP3/caspase-1介导的细胞焦亡，显著减轻矽鼠肺部炎症和纤维化。该研究首次揭示细胞力学微环境在矽肺进展中的关键作用，为靶向细胞骨架治疗纤维化疾病提供新思路。

　　

在全球 occupational disease 防治领域，矽肺（silicosis）作为一种由长期吸入游离二氧化硅（SiO₂）粉尘引起的职业性肺病，其特征性矽结节和进行性肺纤维化（pulmonary fibrosis）导致患者呼吸功能不可逆损伤。世界卫生组织虽早在1995年提出"2030年消除矽肺"计划，但至今该病仍是全球范围内的重要 occupational disease，除肺移植外缺乏有效延缓或逆转纤维化进程的治疗手段。这种困境源于矽肺复杂的病理机制——二氧化硅粉尘被肺泡巨噬细胞（macrophages）吞噬后引发持续性炎症反应，进而激活成纤维细胞导致细胞外基质过度沉积，其中巨噬细胞介导的免疫炎症反应在整个病程中扮演着核心角色。

近年来，间充质干细胞（mesenchymal stromal cells, MSCs）因其强大的抗纤维化和免疫调节功能成为再生医学研究热点。特别是人脐带来源间充质干细胞（human umbilical cord mesenchymal stem cells, hucMSCs）在创伤修复和免疫调节方面展现出独特优势。而随着研究的深入，科学家发现hucMSCs的旁分泌作用——尤其是其分泌的外泌体（exosomes）可能才是发挥治疗效应的关键。这些直径约100-150纳米的细胞外囊泡携带蛋白质、mRNA和miRNA等生物活性物质，在细胞间通信和组织再生中起着重要作用。但hucMSCs与其来源外泌体在矽肺治疗中的优劣比较及其作用机制差异，仍是亟待阐明的重要科学问题。

在此背景下，Zhao等研究人员在《Stem Cell Research & Therapy》发表了创新性研究，首次揭示hucMSC-Exos通过调控巨噬细胞骨架重塑抑制细胞焦亡（pyroptosis）的新机制。研究发现，相比hucMSCs直接移植，hucMSC-Exos在缓解矽肺小鼠模型肺部炎症和纤维化方面表现出更优的效果。通过高通量转录组测序技术，研究者发现hucMSC-Exos特异性激活肌动蛋白细胞骨架（actin cytoskeleton）信号通路，进而维持细胞膜完整性并抑制GSDMD介导的细胞焦亡。这一发现不仅建立了矽肺发病机制中细胞力学微环境与程序性细胞死亡之间的新联系，也为开发无细胞治疗策略提供了理论依据。

研究团队采用差速离心法从hucMSCs培养上清中分离外泌体，通过透射电镜、纳米颗粒追踪分析和Western blot对提取的hucMSC-Exos进行表征鉴定。建立二氧化硅诱导的矽肺小鼠模型，通过尾静脉注射给予hucMSCs（1×10⁶ cells/mL）或hucMSC-Exos（5×10¹⁰ particles/mL）干预。采用Micro-CT扫描评估肺部病变，血气分析仪监测血氧饱和度，H&E和Masson染色进行组织病理学分析，Western blot检测炎症和纤维化标志物表达。通过高通量转录组测序筛选差异表达基因和信号通路，并利用人单核细胞系THP-1诱导的巨噬细胞模型进行体外机制验证。

HucMSCs和hucMSC-Exos表征与鉴定

研究人员通过差速离心成功分离出hucMSC-Exos，透射电镜显示其呈典型的茶托状结构，纳米颗粒追踪分析表明平均粒径为120.8±1.7 nm。Western blot检测到外泌体标志蛋白CD9、CD81和TSG101高表达，而内质网标志蛋白Calnexin不表达，证实获得了高纯度外泌体。

HucMSC-Exos在体内展示更优的抗纤维化效果

动物实验结果显示，矽肺模型组小鼠体重显著下降，肺系数升高，肺部出现明显充血肿胀和白色颗粒状纤维化病变。Micro-CT显示模型组肺部密集阴影和矽结节增多。而hucMSC-Exos和hucMSCs干预组这些指标均显著改善，且hucMSC-Exos组效果更接近正常对照组。组织病理学分析表明，hucMSC-Exos能显著减少肺泡间隔增厚、炎症细胞浸润和胶原沉积。

分子水平验证抗炎抗纤维化效应

Western blot分析显示，hucMSC-Exos显著降低矽肺小鼠肺组织中NF-κB、IL-6、TNF-α等炎症因子和TGF-β、α-SMA等纤维化标志物的表达。ELISA检测血清TNF-α浓度和肺组织羟脯氨酸（HYP）含量结果显示，hucMSC-Exos干预组这些指标均显著降低，且效果优于hucMSCs组。

生理功能改善验证

通过MouseOx系统监测小鼠动脉血氧饱和度、心率和呼吸频率发现，hucMSC-Exos干预能显著改善矽肺小鼠的血氧饱和度，使其更接近正常水平，呼吸频率和心率也趋于正常，表明hucMSC-Exos能有效改善矽肺导致的肺功能损伤。

转录组测序揭示作用机制差异

高通量转录组测序结果显示，hucMSC-Exos组与模型组相比，差异表达基因主要富集在细胞迁移正调控、细胞骨架组织和细胞质过程等生物学过程；而hucMSCs组则主要与免疫球蛋白产生、适应性免疫反应和细菌防御反应相关。KEGG富集分析发现，hucMSC-Exos特异性激活肌动蛋白细胞骨架信号通路。

Pathview通路着色分析进一步证实，hucMSC-Exos能显著抑制NF-κB、Th17细胞分化、趋化因子和C型凝集素受体等炎症相关信号通路的激活。

细胞骨架机制深入验证

GO和GSEA富集分析发现，hucMSC-Exos干预与板状伪足组装、应力纤维、黏着斑、Rho蛋白信号调节等基因集显著相关。Phalloidin染色显示，hucMSC-Exos能显著促进矽肺小鼠肺组织和SiO₂刺激的THP-1细胞中肌动蛋白表达和细胞骨架重组。

荧光标记实验证实hucMSC-Exos能被THP-1细胞有效摄取，主要分布在细胞膜和核周区域，并与细胞骨架相关联。

细胞焦亡抑制机制最终证实

Western blot结果显示，hucMSC-Exos能显著上调细胞骨架相关蛋白Rac1、RhoA和ROCK1的表达，同时下调焦亡相关蛋白caspase-1、NLRP3和IL-1β的表达。免疫荧光实验进一步证实hucMSC-Exos处理可显著降低THP-1细胞中GSDMD的表达，抑制细胞焦亡发生。

本研究系统揭示了hucMSC-Exos通过调控巨噬细胞骨架重塑抑制细胞焦亡的新机制。研究表明，hucMSC-Exos通过激活Rho GTPases信号通路促进黏着斑生长和应力纤维形成，诱导肌动蛋白细胞骨架重组。细胞骨架的动态重塑适应并调节生理运动，维持细胞骨架完整性以保护质膜稳定性，最终减弱细胞焦亡，缓解矽肺小鼠肺部炎症和纤维化。这一发现不仅建立了矽肺、细胞骨架和细胞焦亡三者之间的新联系，验证了hucMSC-Exos对矽肺小鼠肺部的保护作用，更重要的是提出了靶向细胞力学微环境治疗纤维化疾病的新策略，为开发无细胞治疗产品提供了重要理论依据和实践指导。

该研究的创新点在于首次将细胞生物力学概念引入矽肺发病机制研究，揭示了机械信号转导在程序性细胞死亡中的调控作用，为理解纤维化疾病提供了新视角。同时，研究证实hucMSC-Exos相比hucMSCs具有更优的治疗效果和安全性，避免了细胞移植可能带来的免疫排斥和致瘤风险，具有更大的临床转化潜力。未来研究可进一步探索hucMSC-Exos中特定活性成分的作用机制，开发工程化外泌体用于精准治疗，推动矽肺等纤维化疾病的治疗策略从传统的抗炎抗纤维化向调控细胞力学微环境转变。