Research progress on mesenchymal stem cell products and their exosomes in the treatment of inflammatory bowel disease
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摘要:
炎症性肠病（inflammatory bowel disease, IBD）发病机制不明，特征为进行性和终身复发性消化道炎症反应。尽管现阶段新的治疗药物和策略不断涌现，但治疗作用局限于单一的抗炎功能，在复杂黏膜免疫环境下易出现耐药导致治疗失败。间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）能定向归巢到结肠炎症部位，具有强大的免疫调节能力，可重塑肠道免疫环境和修复上皮屏障，为药物难治性患者的治疗提供了极具潜力的替代方案。本文对MSCs产品及其衍生的外泌体在临床上的应用、作用机制和工程化进行综述，以期为MSCs及其外泌体产品用于IBD的治疗提供参考。
Abstract:Inflammatory bowel disease (IBD), whose pathogenesis remains elusive, is a group of autoimmune diseases characterized by chronic, progressive, and lifelong inflammation of the digestive tract. The pathogenesis of IBD remains elusive. Although a number of drugs have been developed to treat IBD, their effects are merely anti-inflammatory. In addition, current treatments for IBD are easily susceptible to resistance in clinical practice. Mesenchymal stem cells (MSCs) have been reported to have the ability to migrate to the site of inflammation, with potent immunoregulatory effects, and to rebalance the immune microenvironment and restore the integrity of the epithelial barrier with significant value of application, particularly for patients who are refractory to classic medicines. In this paper, we reviewed the clinical applications, mechanisms and engineerable properties of MSC products and their exosomes to provide some reference for the use of MSCs and their exosomes in the treatment of IBD.
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Keywords:
- inflammatory bowel disease /
- mesenchymal stem cells /
- exosomes /
- engineering
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炎症性肠病（inflammatory bowel disease, IBD）包括溃疡性结肠炎（ulcerative colitis, UC）和克罗恩病（Crohn's disease, CD），是由环境、免疫系统、肠道微生物组和个体遗传等因素的复杂互作引起的一类自身免疫性疾病，其一线治疗药物包括糖皮质激素、免疫抑制剂、抗生素和抗肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor, TNF-α）疗法。近年来，国际上有多项创新药研究正在进行中，包括抗IL-12 / IL-23、Janus激酶（Janus kinase, JAK）抑制剂、抗细胞黏附分子等。虽然目前用于治疗自身免疫性疾病的生物制剂快速发展，极大地丰富了治疗手段，但临床上仍存在无法满足的用药需求，即治疗无反应、免疫不耐受、用药不良反应甚至罹患严重感染和恶性肿瘤的风险[1−3]。此外，多种生物疗法也复杂化了IBD的初始和长期缓解治疗用药的选择[4]。因此，对IBD的治疗方案进入了瓶颈阶段。
间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）因在多种自身免疫疾病的治疗中展现出卓越的疗效而备受瞩目，例如移植物抗宿主病和难治性类风湿性关节炎等[5−6]。MSCs可从骨髓、脂肪、牙髓、胎盘和脐带华通氏胶等组织分离，通过旁分泌生物活性因子和细胞间物质传递发挥抗炎、抗纤维化、抗凋亡和黏膜屏障修复等作用，在难治性自身免疫病的治疗方面显示出广阔的应用前景。截至2023年11月，共有1589项关于MSCs的临床试验在Clinicaltrials.gov上注册，其中56项适应证为IBD及相关肛周瘘和贮袋炎。目前全球范围内批准的符合药品定义的MSCs产品共10种，适应证包括移植物抗宿主病、急性心肌梗死、复杂性IBD并发肛瘘、脊髓损伤、膝关节软骨损伤、肌萎缩侧索硬化症和血栓闭塞性动脉炎。Cupistem和darvadstrocel可用于CD复杂性肛瘘的治疗，前者于2012年在韩国获批上市，后者分别于2018年和2021年在欧盟和日本获批上市。目前我国国家药品监督管理局批准的46项MSCs临床默示许可中，有3项适应证分别为中重度活动性IBD、急慢性UC和非活动性/轻度活动性腔内CD的成年患者的复杂肛周瘘，表明MSCs在IBD治疗中的价值得到了广泛认可。
目前MSCs及其外泌体（exosomes, Exos）的产品研发和临床转化应用是药物研发的前沿热点。MSCs疗法作为突破性的临床治疗技术具有独特的作用，对IBD尤其是难治复发性患者和CD合并复杂性肛瘘患者展现出极具价值的临床潜力。
1. MSCs在难治性IBD治疗中的优势
《炎症性肠病诊断与治疗的共识意见》中指出药物是IBD当前的主要治疗途径[7]，传统用药以氨基水杨酸、皮质类固醇激素为主，但常伴有神经毒性、心血管、肝损等诸多不良反应（表1）。近些年，TNF-α单抗、IL-23单抗、JAK小分子抑制剂等生物/分子靶向制剂成为了IBD常规疗法失败后的首选药物。
表 1 已上市用于炎症性肠病治疗的药物与间充质干细胞（MSCs）产品的对比分类 代表药物 作用机制 适应证 给药方式 剂量 不良反应 氨基水杨酸类 美沙拉嗪 抑制免疫细胞的免疫反应
和促炎因子产生轻、中度UC和轻度CD诱导和维持缓解 po 2 ~ 4 g/d分次口服或顿服 磺胺过敏、胃肠道反应、肝肾功能损害和胰腺炎 糖皮质激素 泼尼松龙 抑制炎症因子转录，促进炎症细胞凋亡 UC&CD 不用于维持治疗 po
iv
im活动期每日0.75~
1 mg/kg, t.i.d.青光眼、高血糖症、高血压和库欣综合征等 抗TNF-α 英夫利昔单抗 抑制TNF-α信号转导通路 UC&CD iv 5 mg/kg，0, 2, 6 w给药，随后每 8周给药 严重感染、恶性肿瘤、银屑病等 抗IL-12/IL-23 乌司奴单抗 与IL-12p40结合，阻断IL-12 / IL-23通路 UC&CD iv
s.c.45 mg，0, 4 w给药，随后每12 周给药 感染、恶性肿瘤、过敏反应 抗整合素 维得利珠单抗 抑制白细胞归巢 UC&CD iv 300 mg，0, 2, 6 w给药，随后每8周给药 严重感染、过敏反应、多灶性脑白质病 免疫调节剂 6-巯基嘌呤 破坏嘌呤代谢 UC&CD po 每日1.5~2.5 mg/kg, b.i.d., t.i.d. 骨髓抑制、肝功能损害、恶心、呕吐 JAK 抑制剂 托法替尼 阻断JAK介导的细胞因子信号通路 UC&CD po 5~10 mg, b.i.d. 头晕、头痛、胃肠反应、感染 S1P 受体调节剂 奥扎莫德 抑制淋巴细胞归巢 UC po 开始治疗需滴定 维持：0.92 mg, q.d. 上呼吸道感染、头痛 MSCs Darvadstrocel 免疫抑制、组织修复、抗纤维化、保护神经元 CD合并复杂性肛瘘 瘘管内
注射每千克1×106 ~2×106个细胞，长期有效 暂无不良反应事件报告 Cupistem UC：溃疡性结肠炎；CD：克罗恩病；IL：白介素； TNF-α：肿瘤坏死因子-α；JAK：Janus激酶；S1P：鞘氨醇-1-磷酸 一项前瞻性队列研究显示，IBD患者在诊断后10年复发风险为70%~80％[8]。在接受口服5-氨基水杨酸治疗的UC患者中，高达50%以上的患者无法实现疾病缓解[9]，甲氨蝶呤仅对44%的CD患者有效[10]，超过一半的 UC 患者和 1/3 的 CD 患者在停用巯唑嘌呤后复发[11]，这说明超过一半的IBD患者可能无法通过传统药物控制疾病。20%~30%的患者在多次复发后不得不通过手术切除部分肠道[12]，严重影响患者的生活质量。虽然新兴的生物靶向药物呈现不错的临床疗效，但依然有30%的患者对首次治疗没有反应，50%的患者随着时间推移产生抗药性，并且这些临床治疗的主流药物均伴有一定程度的不良反应，因此，亟待寻找新的疗法重塑IBD治疗格局。
1.1 MSCs与药物无反应性难治性IBD
难治性IBD是使用至少两种不同作用机制的生物制剂和先进的小分子药物治疗失败，或CD在手术切除（成人2次，儿童1次）后复发的IBD。此外，抗生素难治性慢性贮袋炎、复杂肛周疾病和影响疾病管理的心理并发症也属于难治性IBD[13]。
难治型IBD治疗失败可能是由于患者之间个体差异大、发病机制复杂、黏膜免疫及肠道微生物群紊乱等因素导致的。大队列全基因组关联分析表明，IBD在遗传上具有高度的异质性[14]。例如，已证明的白介素-10受体亚基α、核苷酸结合寡聚化结构域2、X连锁凋亡抑制蛋白等基因突变是IBD的病因之一[15−17]，但仍有大量患者病因难以阐明，无法针对发病机制为患者选择理想的治疗药物。另一方面，体内普遍存在的代偿机制可能导致在阻断单一炎症因子或者通路时可能在一段时间内对部分患者有利，而半数以上的IBD患者对药物不敏感或疾病复发[18]。
多项临床研究显示，自体和异体MSCs输注疗法在常规治疗（包括免疫调节剂、抗TNF-α药物）和局部手术不再有效的患者中显示出较好的治疗作用[19−20]。Lightner等[21]研究发现，在抗TNF-α或抗整合素治疗失败的6例难治性UC患者中，4例接受MSCs治疗的患者2周后Mayo内镜评分显著下降，且良好的治疗效果一直持续到第12周，另2例对照组患者在此期间病情无变化。31例难治性IBD患者接受了同种异体MSCs输注治疗，其中约60%的患者出现应答且40%达到临床缓解[22]。Forbes等[23]在15例英夫利昔单抗或阿达木单抗治疗无效的IBD患者中进行MSCs输注治疗，42 d观察期内发现12例患者有临床反应，7例患者内镜下炎症明显改善。与现有的临床用药相比，MSCs输注并未引发严重不良反应，长期随访亦无肿瘤诱发风险，为MSCs作为难治性IBD临床治疗的潜在价值提供了有力支持。
难治性IBD患者的肠道炎症微环境复杂，由IgG+浆细胞、单核吞噬细胞、活化的T细胞及基质细胞构成的交互网络中，炎性巨噬细胞释放多种因子，如IL-1β、IL-1α、IL-6、IL-23、TNF-α以及抑瘤素M（oncostatin M, OSM）[24]（图1-A）。IL-1驱动基质细胞-中性粒细胞互作，与抗TNF-α、皮质类固醇和抗整合素治疗的耐药性密切相关[25]，OSM在抗TNF-α疗法耐药患者中高表达，促进肠道基质细胞的炎症活性[26]。然而MSCs对难治性患者发挥作用的具体机制仍待揭示，可能与MSCs受TNF-α和IFN-γ刺激后促进免疫调节分子吲哚胺-2,3-双加氧酶（indolamine dioxygenase, IDO）和TNF-α刺激基因-6（tumor necrosis factor-α stimulated gene 6, TSG-6）表达有关[27]。TSG-6可诱导巨噬细胞表型从M1向M2转换，降低促炎因子IL-1β和TNF-α的表达[28]，中断IL-1介导的基质细胞-中性粒细胞互作。另一方面，MSCs可通过IDO上调结肠炎中 Ⅰ 型调节性T细胞（type I regulatory T cells, Tr1）发挥免疫抑制作用[29]，MSCs还能归巢到炎症部位触发Fas配体和程序性死亡配体1（programmed cell death ligand 1, PD-L1）依赖性的T细胞死亡[30]。为提高患者应答和减少复发，深入探索MSCs对难治性IBD发挥治疗作用的分子机制和调控途径将是开发MSCs产品、提升临床治疗效果的关键研究方向（图1-B）。
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图 1 MSCs用于难治性炎症性肠病（IBD）治疗的优势示意图A：在难治性IBD患者的肠壁损伤部位，炎性巨噬细胞可释放多种细胞因子，加重局部免疫微环境的失调；B：MSCs对于应用抗体类生物药物或传统药物无效的IBD患者具有治疗效果；C：MSCs在pfCD患者中的应用：瘘管部位CD68+巨噬细胞、CD45RO+ T细胞和CD20+ B细胞密集浸润，释放很多TNF-α、IFN-γ、IL-6和IL-17，MSCs可对瘘管的局部炎症微环境做出响应，发挥免疫调节及瘘管修复作用OSM：抑瘤素-M；IFN-γ：干扰素-γ；pfCD：肛周瘘管性克罗恩病1.2 MSCs与CD相关复杂性肛瘘
CD常并发肛周疾病，患者初次诊断10年后肛瘘发生率为33%，20年后升至50%，34%的CD患者至少复发1例瘘管病灶[31]。肛周瘘管性克罗恩病（perianal fistulous Crohn’s disease, pfCD）往往病情反复，多发复杂性肛瘘，部分病例伴随急性化脓性感染。23%的pfCD患者需要手术治疗[31]。pfCD一线治疗通常是抗TNF-α和手术引流，5年内随访发现抗TNF-α疗法瘘管闭合率仅为55%，40.1%的患者在5年内首例瘘管复发[32]。目前pfCD的治疗有明显的局限性，愈合率远未达到预期，pfCD是CD最具挑战性的病变特征之一。
MSCs在这类治疗困难的pfCD患者群体中具有卓越的疗效。Reenaers等[33]对16例pfCD患者使用骨髓来源的MSCs治疗，磁共振成像显示MSCs注射后第48周86%的患者瘘管闭合。Darvadstrocel是同种异体脂肪来源的MSCs，用于对已有药物无反应的pfCD患者时，与安慰剂组相比darvadstrocel治疗组患者缓解比例更高（50% vs 34%）[34]。Ciccocioppo等[35]招募了常规方法难治的pfCD患者接受自体骨髓来源的MSCs治疗，所有10例患者均有效，其中7例患者瘘管持续完全闭合，3例患者不完全闭合。治疗期间黏膜Treg细胞和循环Treg细胞的百分比显著升高，并在随访结束前保持稳定。Cupistem是自体脂肪来源的MSCs，用于43例pfCD患者治疗时，80.8％的患者在治疗12个月后瘘管完全愈合。且在后续观察的24个月内，仍有75%的患者保持了瘘管封闭状态，证实MSCs具备良好的长期疗效与安全性[36]。
在CD患者中，CD68+巨噬细胞富集在瘘管内壁，CD45RO+ T细胞和CD20+ B细胞密集浸润于瘘管深层。受肠内共生菌和肠道内容物刺激，pfCD瘘管中巨噬细胞大量激活，诱导T细胞和B细胞向炎症部位迁移[37]。细菌代谢物驱动辅助性T细胞17（T helper cell 17, Th17）细胞分化，促进IL-17和IFN-γ积累[38]，瘘管中免疫细胞强烈激活并导致组织损伤。有研究者测定了UC患者结肠、CD患者结肠和pfCD患者瘘管中TNF-α、IFN-γ、IL-6和IL-17等细胞因子水平， pfCD患者炎症因子水平显著高于其他两组[39]。pfCD瘘管类似的高浓度炎症因子处理MSCs时，MSCs分泌了更多的COX-2、IDO和TGF-β，提示MSCs可对高炎症因子水平有更好的响应，可能是其高效闭合瘘管的原因之一[39]（图1-C）。可见自身免疫性疾病中炎症因子水平能影响MSCs的抑炎能力，MSCs能依据疾病严重程度发挥适当的抗炎作用，减少不良反应。因此，深入探讨MSCs在不同炎症环境中的抗炎能力对于制定基于MSCs的治疗方案至关重要，将为基于MSCs的精准医疗和治疗方案的制订提供更多依据。
2. MSCs及MSC-Exos治疗IBD的作用机制及特点
MSCs及MSC-Exos对黏膜免疫微环境的重塑包括协调抗炎免疫、上皮细胞保护、成纤维细胞活化和肠道神经保护多方面的作用，MSCs治疗效果主要由其分泌的免疫调节因子介导，MSC-Exos是MSCs分泌的一种重要组分，其免疫抑制效力与 MSCs相当[40]，因在体外没有增殖能力而具有更高的安全性。MSC-Exos携带大量活性分子，包括非编码RNA、生长因子和免疫调节因子，也能通过多种途径发挥抗炎免疫、促进组织修复作用。
2.1 MSCs及MSC-Exos多途径的免疫调节作用
MSCs能调控炎症环境中的巨噬细胞、T细胞和中性粒细胞等多种免疫细胞，重塑炎症免疫微环境。MSCs可分泌TSG-6 诱导巨噬细胞表型向M2转换[28]；抑制中性粒细胞的ERK磷酸化，上调N2型中性粒细胞，有效减轻肠黏膜损伤、降低疾病活动指数[41]；可增加IL-10的产生和Treg细胞浸润，减少炎性因子产生[42]（图2-A）。鞘氨醇-1-磷酸（sphingosine-1-phosphate, S1P）在IBD进展中发挥促细胞增殖、迁移和炎性因子浸润作用，抑制S1P合成和促进分解是治疗IBD可行的途径之一[43]，MSCs降低 S1P合成的关键酶鞘氨醇激酶mRNA表达水平，上调鞘氨醇-1-磷酸裂解酶表达，促进S1P分解[44]。MSC-Exos在体外可抑制Th1和Th17细胞的分化，减少IL-17、IFN-γ分泌，显著降低疾病的严重程度[45]。MSCs可显著下调急性黏膜炎症，有报道显示MSCs在抗炎方面和泼尼松龙同样有效[46]，且单次使用MSCs即可诱导结肠炎症反应的持久缓解[47]。
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图 2 MSCs治疗IBD的机制和特征A：MSCs能与各种免疫细胞如巨噬细胞、T细胞和中性粒细胞相互作用，抑制炎症；B：给药后，MSCs可以迁移到炎症部位，MSCs的定向迁移受到多种因子的驱动，如MMP、P-选择素和CXCR4-CXCL12轴；C：MSCs分泌VEGF促进血管生成；D：通过分泌TSG-6和IGF-1，MSCs促进上皮细胞增殖，增强肠道屏障完整性；E：MSCs对肠道神经元的保护作用；F：MSC-Exos含有miR-200b能够逆转IBD结肠纤维化TSG-6：肿瘤坏死因子刺激基因-6；IGF-1：胰岛素样生长因子-1；MMP：基质金属蛋白酶；VEGF：血管内皮生长因子；CXCR：C-X-C趋化因子受体; CXCL：C-X-C趋化因子配体；MSC-Exos：由MSCs产生的外泌体（exosomes）2.2 MSCs及MSC-Exos向炎症部位归巢
MSCs在输注后能向局部炎症部位迁移，MSCs的归巢由炎症因子、趋化因子、黏附分子、生长因子和基质金属蛋白酶等多种配受体互作驱动，最终导致MSCs沿趋化因子浓度梯度迁移至损伤部位。由于炎症部位多种趋化因子表达显著上调，常见的全身给药途径如静脉注射给药后MSCs能迁移到炎症组织。特别是IL-1β可上调MSCs的CXCR4蛋白表达，进一步促进MSCs向DSS模型小鼠的脾脏、肠系膜淋巴结和结肠炎症区域的聚集[48]。Duijvestein等[49]发现用IFN-γ处理的MSCs增加了向DSS模型和TNBS模型小鼠结肠炎症部位的归巢（图2-B）。MSCs归巢进入发炎部位促进黏膜免疫耐受，这可能是MSCs选择性作用于炎症部位的原因。直径40～160 nm的MSC-Exos得益于尺寸和柔韧性能够跨越主要的生物屏障，MSC-Exos从脉管系统或是腹腔给药对结肠炎症部位具有趋向性，可作为药物靶向递送有前景的生物载体[40]。
2.3 MSCs及MSC-Exos修复黏膜屏障
内镜下肠黏膜愈合是临床试验的重要终点，黏膜愈合可以显著降低住院率、结肠切除术数量、类固醇使用量和临床复发的风险[50−51]。黏膜愈合需要肠道炎症水平的广泛降低和上皮细胞的增殖和再生，提高肠道屏障完整性。因此，在抑制炎症的前提下从促进上皮稳态的角度探索IBD的解决方案有望降低疾病的复发率。当前对IBD的治疗局限于免疫抑制和缓解症状，英夫利昔单抗治疗IBD仅45.4%（83/183）的患者实现黏膜完全愈合[52]，219例CD患者使用乌司奴单抗治疗至第48周时并未能显著改善其内镜评估结果[53]，因此，现有治疗方法对促进肠黏膜愈合作用有限。MSCs能以VEGF依赖性方式刺激血管生成，减少穿透性溃疡形成[54]（图2-C）。Yang等[55]发现诱导多能干细胞来源的MSCs通过TSG-6以蛋白激酶B依赖的方式促进上皮细胞增殖（图2-D）。Xu等[56]发现MSCs可通过分泌胰岛素样生长因子-1（insulin-like growth factor-1, IGF-1）促进结肠细胞和类器官的生长和增殖，从而有利于提高结肠屏障完整性。MSCs-Exos以miR-539-5p依赖性方式抑制脂多糖诱导的肠上皮细胞焦亡，降低ROS和促炎细胞因子水平[57]。MSC-Exos上调富含亮氨酸重复序列的G蛋白偶联受体5（leucine-rich repeat-containing G protein-coupled receptor 5, Lgr5）表达，加速肠上皮的增殖。同时，在TNF-α刺激下，MSC-Exos赋予肠道类器官更强的生长和增殖能力。对MSC-Exos的生物信息学分析表明，其中丰富的miRNA广泛参与了上皮屏障建立过程[58]。
2.4 MSCs保护肠道神经元
肠道炎症进展时中性粒细胞和巨噬细胞大量浸润，促进诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase, iNOS）表达，导致NO急剧升高和神经元死亡。在体外，NO和炎性细胞能选择性地引起轴突损伤和神经元死亡[59]。炎症期间，P2X7受体（purinergic receptor P2X7 receptor, P2X7R）、泛连接蛋白-1、ASC衔接蛋白和Caspase-1组成的神经元信号复合体导致肠道神经元死亡[60]，引发肠功能障碍。Dong 等[61]发现内源性TNF-α通过TNFR2对神经元具有保护作用，因此抗TNF-α疗法不能保护神经元。MSCs可通过剂量依赖性方式表现出抗炎和神经保护特性，高于1×106个的 MSCs明显降低炎症水平，表现出神经保护作用[62]。MSCs神经保护的确切机制尚不清楚（图2-E），但MSCs可能不是通过遏制TNF-α的下游通路而是通过分泌神经营养因子的旁分泌机制起作用。具体机制还需要进一步研究。
2.5 MSCs及MSC-Exos抵抗纤维化
肠道纤维化通常由慢性炎症驱动，表现为肌成纤维细胞和胶原蛋白沉积增加导致肠道蠕动性丧失和管腔狭窄，是UC和CD的常见并发症。高达27.1%的CD患者在确诊10年后并发肠道狭窄[63]。UC长期慢性炎症导致的纤维化是肠道功能受损的原因之一[64]。回肠CD炎性狭窄和纤维性狭窄是肠梗阻的重要诱因[65]，临床上采用抗炎治疗缓解炎性狭窄，尚无直接改善和逆转纤维化所致狭窄的药物。MSC-Exos包含的 miR-200b可逆转TGF-β1处理的IEC-6细胞的形态学改变，增加E-钙黏蛋白（E-cadherin）表达、降低波形蛋白（vimentin）和α-肌动蛋白（α-smooth muscle actin, α-SMA）表达，并在组织学上改善TNBS诱导的结肠炎纤维化[66]（图2-F）。Ye等[67]发现脂肪来源的MSCs和犬尿氨酸处理的MSCs减少了TNBS小鼠结肠胶原沉积。
3. 工程化MSCs及MSC-Exos
3.1 工程化MSCs
对MSCs进行适当的基因工程改造、药物装载和表面修饰可提高其归巢效率、延长作用时间、提升活力和减少不良反应，推动其更好地向临床转化和应用。MSCs在过表达趋化因子受体CXCR4后，增加了结肠归巢并减少了小鼠 IBD相关肿瘤的发生[68]。研究人员对MSCs分别过表达了CX3CR1和CXCR2，均大大提高了MSCs的归巢效率[69−70]。细胞间黏附分子1（intercellular cell adhesion molecule-1, ICAM-1）过表达的MSCs相比于初始的MSCs增加了 IBD小鼠结肠和脾脏归巢，显著减轻IBD小鼠的炎症损伤[71]（图3-A）。Ye等[72]制备了多价VCAM1抗体工程化的MSCs，发现工程化的MSCs对发炎的内皮细胞黏附性增加，增加了对病变组织的靶向性，在结肠炎模型小鼠中展现出更好的治疗效果（图3-B）。Li采用聚己内酯纤维片段和HA 水凝胶偶联合成了复合材料mfNHC，该复合材料装载了脂肪来源的MSCs，用于治疗 CD大鼠瘘管。与瘘管模型组相比，mfNHC负载MSCs降低了局部炎症水平并改善组织再生[73]（图3-C）。疾病状态、输注后的体内过程与药效三者间的关系是MSCs成药转化研究的重要问题[74]，MSCs的趋化因子受体过表达和多价抗体修饰改善了MSCs的迁移和组织分布，对pfCD可采用适当的生物支架实现MSCs对局部瘘管的保留性能。MSCs及MSC-Exos在体内的归巢后的生物活性和清除时间等还不明确，借助生物成像技术例如荧光成像等阐明药物的体内过程，可优化给药方案、增强治疗的靶向性[75]。工程化MSCs能更有效地减少炎症微环境免疫细胞的激活，根据患者具体病情和用药位置（如腔内或瘘管）来设计工程化MSCs，有望成为IBD个体化治疗方案的有力工具。
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图 3 MSCs 及MSC-Exos 的工程化A：过表达CXCR2、CXCR4、CX3CR1和ICAM-1的MSCs表现出对结肠的增强的定向迁移；B：多价VCAM-1抗体修饰的MSCs显示对炎症性内皮细胞的增强黏附，提高了对炎症部位的归巢；C：负载于生物材料支架上的MSCs减轻局部炎症并促进再生；D：过表达miR-146a的MSC-Exos具有更强的抗炎效果；E：MSC-Exos包裹在海藻酸钠微球中，微球被明胶层和pH敏感的Eudragit FS30D丙烯酸树脂壳包裹，可保护MSC-Exos免受降解AAV：腺相关病毒；CX3CR：C-X3-C趋化因子受体；ICAM-1：细胞间黏附分子-1；VCAM-1：血管细胞黏附分子-1；NF-κB：核因子-κB3.2 工程化MSC-Exos
Exos是具有低免疫原性、高靶向性以及良好的生物相容性的仿生纳米制剂，可避免被网状内皮系统清除，在体内血液循环时间更长[76]。Exos保留了MSCs的复杂生物功能，MSC-Exos作为优越的治疗性蛋白和核酸药物的靶向递送载体，其工程化为靶向炎症递送和个性化高性能治疗技术提供了可能。对Exos的改造包括基因工程、表面修饰等。Wu等[77]用慢病毒在MSCs中过表达miR-146a，增加了miR-146a在Exos中的丰度，比未改造的Exos更明显地降低了DSS模型小鼠炎性细胞因子水平和NF-κB的激活程度（图3-D）。Gan等[78]将MSC-Exos包裹在海藻酸钠微球中，微球包被明胶层，以保护MSC-Exos免受胃酸和酶类降解。为了进一步增强微胶囊对胃液的抗性，选择pH敏感的丙烯酸树脂Eudragit FS30D外壳作为微胶囊的外层（图3-E）。将MSC-Exos微胶囊用于DSS模型小鼠，微胶囊能抑制炎症巨噬细胞激活。
MSC-Exos还可以根据需要设计多样化的制剂形式。口服给药不良反应少，不直接损伤皮肤或黏膜，方便患者使用，因而一般被视为首选的药物给药方式。Deng等构建了一种逐层自组装系统，用于构建口服靶向结肠的MSC-Exos（LbL-Exos），可生物降解的N-（2-羟基）丙基-3-三甲基壳聚糖氯化铵（HTCC）和氧化魔芋葡甘露聚糖（OKGM）被用作外层以靶向结肠并保护Exos免于降解。LbL-Exos在组织中受控释放。与静脉给药相比，口服LbL-Exos可有效缓解炎症并减少MSC-Exos使用的数量。机制研究表明，LbL-Exos被巨噬细胞和肠上皮细胞内化，发挥抗炎和组织修复作用[79]，多样化的给药途径有助于优化基于MSC-Exos的治疗。
在MSCs制剂的实际开发中，MSCs活细胞旁分泌能力可能受传代次数、培养条件等多种因素影响[80−81]。为保证产品符合《药品生产质量管理规范》和提高产量，可采用悬浮细胞3D培养结合切向流过滤分离Exos[82]。国际细胞外囊泡研究协会对Exos的培养、收获时间、表征、分析研究和基于MSC-Exos的药物开发提供了指南[83]。
4. 总结与展望
当前，干细胞及其衍生产品的药物研发已成为全球最具发展潜力、最具临床转化价值的前沿领域之一。MSCs及其Exos作为集智能靶向递送、多途径抗炎抗纤维化、修复黏膜屏障和神经保护等功能于一体的细胞药物将为IBD的临床治疗带来变革，有望为抗TNF-α药物等治疗无效的重度难治性IBD患者以及CD并发肛周瘘管的患者提供新的有效治疗手段。
尽管基础科研在MSCs的生物学特性、分泌组、免疫调节及细胞间相互作用等方面已取得很多重大突破，但由于疾病状态下MSCs的可塑性以及MSCs与免疫细胞通讯的复杂性和多样性的存在，MSCs在不同疾病状态下发挥作用的机制还不能清晰地阐明。MSCs输注后在体的活性、增殖分化能力、归巢行为、活性因子和代谢物释放的时空特征以及与机体细胞交互调控等依然存在大量未解决的问题。时空细胞药代动力学、新型的体内生物成像示踪技术、高维流式、空间组学等将为未来探讨MSCs作用规律提供新的技术方法。越来越多的研究者正在设计下一代MSCs及其工程化的产品，以研发出更安全、更精准、更智能的MSCs及MSC-Exos治疗产品。随着MSCs和MSC-Exos作用机制的深入研究及其工程化改造进展，可能会带来创新机制的MSCs药物发现，改变未来结肠炎的治疗方式。
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图 1 MSCs用于难治性炎症性肠病（IBD）治疗的优势示意图
A：在难治性IBD患者的肠壁损伤部位，炎性巨噬细胞可释放多种细胞因子，加重局部免疫微环境的失调；B：MSCs对于应用抗体类生物药物或传统药物无效的IBD患者具有治疗效果；C：MSCs在pfCD患者中的应用：瘘管部位CD68+巨噬细胞、CD45RO+ T细胞和CD20+ B细胞密集浸润，释放很多TNF-α、IFN-γ、IL-6和IL-17，MSCs可对瘘管的局部炎症微环境做出响应，发挥免疫调节及瘘管修复作用OSM：抑瘤素-M；IFN-γ：干扰素-γ；pfCD：肛周瘘管性克罗恩病
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图 2 MSCs治疗IBD的机制和特征
A：MSCs能与各种免疫细胞如巨噬细胞、T细胞和中性粒细胞相互作用，抑制炎症；B：给药后，MSCs可以迁移到炎症部位，MSCs的定向迁移受到多种因子的驱动，如MMP、P-选择素和CXCR4-CXCL12轴；C：MSCs分泌VEGF促进血管生成；D：通过分泌TSG-6和IGF-1，MSCs促进上皮细胞增殖，增强肠道屏障完整性；E：MSCs对肠道神经元的保护作用；F：MSC-Exos含有miR-200b能够逆转IBD结肠纤维化TSG-6：肿瘤坏死因子刺激基因-6；IGF-1：胰岛素样生长因子-1；MMP：基质金属蛋白酶；VEGF：血管内皮生长因子；CXCR：C-X-C趋化因子受体; CXCL：C-X-C趋化因子配体；MSC-Exos：由MSCs产生的外泌体（exosomes）
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图 3 MSCs 及MSC-Exos 的工程化
A：过表达CXCR2、CXCR4、CX3CR1和ICAM-1的MSCs表现出对结肠的增强的定向迁移；B：多价VCAM-1抗体修饰的MSCs显示对炎症性内皮细胞的增强黏附，提高了对炎症部位的归巢；C：负载于生物材料支架上的MSCs减轻局部炎症并促进再生；D：过表达miR-146a的MSC-Exos具有更强的抗炎效果；E：MSC-Exos包裹在海藻酸钠微球中，微球被明胶层和pH敏感的Eudragit FS30D丙烯酸树脂壳包裹，可保护MSC-Exos免受降解AAV：腺相关病毒；CX3CR：C-X3-C趋化因子受体；ICAM-1：细胞间黏附分子-1；VCAM-1：血管细胞黏附分子-1；NF-κB：核因子-κB
表 1 已上市用于炎症性肠病治疗的药物与间充质干细胞（MSCs）产品的对比
分类 代表药物 作用机制 适应证 给药方式 剂量 不良反应 氨基水杨酸类 美沙拉嗪 抑制免疫细胞的免疫反应
和促炎因子产生轻、中度UC和轻度CD诱导和维持缓解 po 2 ~ 4 g/d分次口服或顿服 磺胺过敏、胃肠道反应、肝肾功能损害和胰腺炎 糖皮质激素 泼尼松龙 抑制炎症因子转录，促进炎症细胞凋亡 UC&CD 不用于维持治疗 po
iv
im活动期每日0.75~
1 mg/kg, t.i.d.青光眼、高血糖症、高血压和库欣综合征等 抗TNF-α 英夫利昔单抗 抑制TNF-α信号转导通路 UC&CD iv 5 mg/kg，0, 2, 6 w给药，随后每 8周给药 严重感染、恶性肿瘤、银屑病等 抗IL-12/IL-23 乌司奴单抗 与IL-12p40结合，阻断IL-12 / IL-23通路 UC&CD iv
s.c.45 mg，0, 4 w给药，随后每12 周给药 感染、恶性肿瘤、过敏反应 抗整合素 维得利珠单抗 抑制白细胞归巢 UC&CD iv 300 mg，0, 2, 6 w给药，随后每8周给药 严重感染、过敏反应、多灶性脑白质病 免疫调节剂 6-巯基嘌呤 破坏嘌呤代谢 UC&CD po 每日1.5~2.5 mg/kg, b.i.d., t.i.d. 骨髓抑制、肝功能损害、恶心、呕吐 JAK 抑制剂 托法替尼 阻断JAK介导的细胞因子信号通路 UC&CD po 5~10 mg, b.i.d. 头晕、头痛、胃肠反应、感染 S1P 受体调节剂 奥扎莫德 抑制淋巴细胞归巢 UC po 开始治疗需滴定 维持：0.92 mg, q.d. 上呼吸道感染、头痛 MSCs Darvadstrocel 免疫抑制、组织修复、抗纤维化、保护神经元 CD合并复杂性肛瘘 瘘管内
注射每千克1×106 ~2×106个细胞，长期有效 暂无不良反应事件报告 Cupistem UC：溃疡性结肠炎；CD：克罗恩病；IL：白介素； TNF-α：肿瘤坏死因子-α；JAK：Janus激酶；S1P：鞘氨醇-1-磷酸 
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期刊类型引用(1)
1. 袁潇，梁松林，谢亚楠，管冬梅，樊龙雨，殷晓轩. 不同来源间充质干细胞治疗炎症性肠病. 中国组织工程研究. 2025(31): 6811-6820 . 
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