間質幹細胞與外泌體： 微環境中的再生工程如何發生？
外泌體—間質幹細胞長效作用的關鍵媒介
間質幹細胞（mesenchymal stem cells, MSCs）在過去十年間被廣泛運用於各種早期臨床試驗中，治療效果普遍認為是由於其多元分化潛能及免疫調節能力；但近來許多證據指出，間質幹細胞的再生修復作用主要並非透過增殖或直接分化為成熟具功能的體細胞，而是倚賴其分泌物質—特別是外泌體（exosomes）所牽涉的旁泌作用。研究顯示，經體循環後其實間質幹細胞至目標組織的抵達率和存活率比例相當低，多數細胞會在靜脈注射後數小時內即會因細胞尺寸過大而被肺循環濾出。然而，即使間質幹細胞無法如期抵達甚至存活於病灶處，其釋出的外泌體卻仍能進入損傷組織並促進修復，表示間質幹細胞的實際作用不在於長期停留，而是透過短時間內釋放大量的功能性外泌體，以啟動微環境中的訊號傳遞。
間質幹細胞外泌體藉由其內含的抗發炎 miRNA 及調控表觀基因（epigenetics）的因子，可主導許多細胞修復路徑，且其分子機制與體內間質幹細胞的生理作用雷同，例：間質幹細胞外泌體中所富含的 miR-21a、miR-124、miR-146a 與 miR-126，分別可活化 PI3K/Akt、抑制 ROCK1、促進 STAT3 與 VEGF 等訊號，而這些也正是間質幹細胞被植入體內常見的下游轉錄反應，顯示外泌體極可能為間質幹細胞展現能力的媒介，而非結果；對此，一項有力的外泌體剝奪實驗證實，若抑制間質幹細胞外泌體釋放，即使幹細胞被完整植入，但其治療效果幾乎完全消失，從而確認間質幹細胞的作用來自其外泌體。
外泌體作為由細胞主動釋放的胞外囊泡（extracellular vesicles, EVs），近年在細胞聯絡、疾病診斷與精準治療領域均有重要發現。與其他類型胞外囊泡如：微泡與凋亡小體相比，外泌體具有較為明確的生物起源與分子運送特性。它們主要由多泡小體（multivesicular bodies, MVBs）與細胞膜融合後釋出，直徑範圍約為 30 至 150 nm，能攜帶蛋白質、脂質、mRNA、microRNA （以下稱miRNA）甚至是 DNA，可進入並調控其他細胞的功能。外泌體不僅在神經退化性疾病、心血管疾病、免疫調節及癌症中扮演角色，其生成與運輸路徑亦展現出高度精密的調控網絡，尤其是外泌體對標的細胞中的攝取途徑、轉譯作用與下游訊號（如： STAT3、NF-B、mTOR等）開關；隨著次世代定序、質譜平台等科研技術的提升，科學界逐漸得以鑑定外泌體組成並釐清其來源和功能差異，這些發現皆為轉譯醫學提供了全新的疾病干預空間，並為 RNA 載體與藥物傳輸系統創造了新的平台，令許多疾病得以運用其目標趨向性展開新型投藥治療。
外泌體生成、組成與參與修復之分子機制
外泌體的形成起始於早期胞內體（early endosome）至晚期胞內體（late endosome）的成熟過程。胞內體膜在發展過程中會逐漸內陷形成多泡小體，而其中的內囊泡（intraluminal vesicles, ILVs）即為未來將作為外泌體釋放的前身。這一過程內囊泡會藉由識別泛素（ubiquitin）選擇標記的 cargo，再令引導複合體協助其封裝進內囊泡。研究指出，內囊泡的四跨膜蛋白不僅參與 cargo 分選，亦在外泌體表面保留，成為其膜上標記，進入內囊泡的 cargo 並非隨機，而是高度選擇性的過程，特定疾病狀態如癌症或神經退化性疾病，這類外泌體的 cargo 變化可作為生物標記（biomarkers）或治療定點。當細胞內環境改變，如：發炎訊號、細胞分化、氧化壓力，會調節各外泌體組裝蛋白之表現，進而改變外泌體的內容物和數量。
外泌體發揮功能的前提在於能成功進入目標細胞，將所運送分子（即 cargo）傳遞至相應胞器以影響基因表現和細胞命運。細胞對外泌體的攝取模式包括三類：
1.經由膜上蛋白 clathrin 或 caveolin 的胞吞作用（endocytosis）
2.吞噬作用（phagocytosis）與胞飲（macropinocytosis）
3.直接融合於細胞膜後釋放 cargo 至胞內
而不同來源的外泌體會利用不同路徑進入細胞。一部分外泌體會進入早期胞內體，經溶體途徑而就此降解；但若外泌體於細胞膜直接融合或成功逃脫胞內體時期，則其蛋白或核酸等內容物便能釋出參與訊息傳導。細胞對外泌體的選擇性與攝取效率具有來源的高度關聯性。在神經組織中因存在血腦障壁（blood-brain barrier, BBB），只有特定外泌體如：來自神經幹細胞者具有天然穿透能力，或可藉由表面特定整合素（如：L1CAM）進入腦組織。心血管系統則因血管通透性較高，外泌體分布較均勻，內皮細胞與心肌細胞可透過 integrin 與 HSPG 調節胞吞作用進行攝取。腫瘤環境中則高度依賴免疫細胞、腫瘤相關成纖維母細胞與血管內皮的多重訊號吸收，其過程亦常伴隨微環境中巨噬細胞的極化與免疫抑制。
外泌體在組織修復過程中的角色不僅只是物質的運送，其所夾帶之特定 cargo 內容更能選擇性地觸發細胞內部高度專一的訊號作用，進而改變細胞表型和基因表現。其中最受關注的是 miRNA所影響的路徑，以下針對幾個代表性的外泌體分子說明其在不同疾病病理中的分子機轉：
• miR-124：神經修復與穩定突觸
miR-124 為神經細胞性的 miRNA，在神經幹細胞外泌體中大量表現，並在多項神經退化性疾病模式證實具神經保護與修復功能。其主要作用機轉為調降 ROCK1（Rho-associated coiled-coil containing protein kinase 1）與 STAT3 表現，進而降低神經元的發炎與細胞骨架反應，同時促進神經軸突延伸與突觸可塑性。此外，miR-124 亦可透過抑制 REST（RE1-silencing transcription factor）活性，解除神經表現基因的抑制作用，使成熟神經元恢復分化能力與突觸建構能力。
• miR-21a-5p：心肌抗凋亡與抗氧化能力
miR-21a-5p 為心肌間質幹細胞外泌體中主要產生的 miRNA，已知在急性心肌缺血與缺氧模式中會大量表現。該分子可透過抑制 PTEN（phosphatase and tensin homolog）表現，進而釋放 PI3K/Akt 訊號活性，導致 Bcl-2 表現上升並抑制 caspase-3 活化，對抗細胞凋亡。除此之外，miR-21a-5p 亦可降低 NOX4 表現，抑制氧化物產生，達到抗氧化作用，對於心肌細胞的保護與修復具有關鍵角色。
• miR-126：血管新生與內皮穩定
miR-126 為血管內皮細胞產生的 miRNA，常見於內皮來源或幹細胞來源的外泌體。其生理功能主要透過抑制 SPRED1 與 PIK3R2 等會抑制血管新生的分子，間接增強 VEGF 與 FGF訊號，促進血管新生與內皮再生。miR-126 同時也參與內皮屏障穩定與抗發炎調節，可降低白血球附著與血管通透性，對動脈粥樣硬化、糖尿病血管病變與急性心肌梗塞後的修復具有治療潛力。
• TGF-β 與 miR-23a：腫瘤免疫脫逃與基質重構
腫瘤來源的外泌體中常見的 cargo 包含 TGF-β 與 miR-23a，其共同參與腫瘤微環境之免疫重塑與間質調節。TGF-β 為一種強效免疫抑制因子，可抑制 CD8+ T 細胞活化、促進調節性 T 細胞（Tregs）分化，並驅動巨噬細胞降活至免疫抑制的 M2型。而 miR-23a 則可抑制 PTEN 與 ZO-1 表現，促進上皮細胞–間質轉換（Epithelial-to-mesenchymal transition, EMT）與血管通透性升高，進而提升腫瘤轉移潛能。這些 cargo 所導致的免疫微環境變化，亦為癌症進程與抗藥性形成的重要機制。
• VEGF 與 IL-10：慢性病與器官修復之雙向調節
在慢性病如糖尿病腎病變相關研究中，幹細胞來源外泌體中的 VEGF 與 IL-10 為兩種常見的免疫和再生的因子。VEGF 主要參與血管修復與氧合作用維持，IL-10 則可透過抑制 NF-B 活性與誘導 STAT3 表現，減緩慢性發炎與間質纖維化。
在神經退化性疾病中，外泌體 cargo 多活化 PI3K/Akt、STAT3、Wnt 等促存活與突觸可塑性相關路徑，可促進神經元再生與神經膠質穩定。心血管方面則觀察到外泌體 cargo 可誘導 eNOS 表現、抑制 TGF-β 與 NOX 信號，進而減少心肌纖維化與細胞死亡。相較之下，腫瘤外泌體則常透過 cargo 活化 NF-B、MAPK 或 HIF-1α 等訊號促進發炎、侵襲與血管新生。這種作用方向的根本差異，使外泌體在應用上具有不同的風險考量。治療運用需確保外泌體 cargo 不會誤啟病理訊號，故在癌症與慢性發炎條件中往往需要採用外泌體工程改造技術，以消除原始 cargo 並植入治療性內容物。
間質幹細胞與外泌體的再生治療途徑具正回饋模式
間質幹細胞所分泌的外泌體具備「訊號放大」功能。它們可在目標組織內部與微環境中快速擴散，進而活化 PI3K/Akt、STAT3、Wnt/β-catenin 等路徑，而這些路徑皆為組織修復、抗凋亡與抗發炎反應的重要樞紐，亦可在間質幹細胞本身形成正向回饋。當幹細胞接收外泌體 cargo（如：外源性miR-21 、BDNF）時，會活化 Akt/mTOR 訊號，進一步增強其存活、延長分泌活性時間，使其旁泌作用更加旺盛；透過外泌體 IL-6、miR-146a 或 LIF 的誘導，幹細胞亦可活化 STAT3 路徑，使之維持未分化狀態以延長分泌，形成一種「幹細胞自我增幅」的迴路。此現象在慢性炎症如腎病變尤為重要，因為幹細胞若未持續活化將會迅速凋亡或喪失旁泌功能，無法維持再生訊號的穩定供應。而此增幅機制在多種動物模式已被證實為間質幹細胞長期維持療效的關鍵之一。
間質幹細胞外泌體亦展現「環境感知與內容調整能力」的特性。研究顯示， 間質幹細胞在不同病理環境中（如：缺氧、發炎、糖化壓力等）會改變其外泌體 cargo 組成，這些分子可精準對應不同微環境傷害的抑制目標，由此可看出外泌體作為訊號回應載體的高度特異性與可塑性。
另一方面，間質幹細胞外泌體亦能調控微環境中的免疫細胞與間質組織結構。富含 miR-146a、TGF-β 拮抗劑或 miR-23b 的外泌體可抑制巨噬細胞，轉而促進 M2 的免疫修復型，進一步降低發炎細胞激素分泌。間質幹細胞外泌體亦可透過降低 α-SMA、collagen I 與 fibronectin 表現，協助逆轉成纖維母細胞活化，達成重建環境之作用。
總結上述，間質幹細胞所釋放的外泌體並非組織修復的「輔助材料」，而是再生機制的核心。近年來多項間質幹細胞外泌體工程技術研究更進一步將上述機轉放大或轉向特定應用目標，如：利用基因工程提高 miR-126、miR-21 或 miR-124 在外泌體的表現量，並已成功應用於缺血性腦中風、急性腎損傷與糖尿病傷口癒合等疾病的動物模式，觀察到顯著修復效果；亦有研究將外泌體表面改造為特異性標靶腫瘤細胞之配位基（ligand），使其運載分子可選擇性的作用於惡性微環境中，創造出高度客製化之細胞外遞送模式。因此，相關未來發展將朝向更以外泌體為主體之精準設計策略，以實現更高可控性的再生醫療平台與給藥系統的可能性。
陳人輔 博士
現任世勛國際生醫股份有限公司創辦人暨科研總監｜英國諾丁漢大學生物醫學博士｜國立陽明大學口腔生物所碩士｜致力於成人及胚胎幹細胞、再生醫學、幹細胞生長因子、美容再生醫學等相關領域進行研究與實際應用，曾於香港擔任亞太幹細胞研發副總及科技新報科學顧問
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