为什么外泌体被探索作为诊断和治疗工具

1983年，两个独立的研究小组报告了关于成熟红细胞释放的小细胞外囊泡的新观察。^1，2五年后，这些囊泡被命名为液罗斯·约翰斯通(Rose Johnstone)的回答。^3.经过深思熟虑，约翰斯通将她的团队早期的发现描述为有点“偶然”，解释说他们在寻找一个合适的系统来识别特定的转运蛋白时偶然发现了外泌体。⁴根据约翰斯通的说法，最初的观察报告遭到了怀疑的目光。

现在，最初的怀疑已经被克服;外泌体的形成现在被认为是一种自然现象，而不是被认为是人为的。随着生物学家竞相挖掘外泌体的潜力，该领域的研究继续获得动力;在PubMed搜索框中输入“外泌体”，你将看到2020年的4000多个结果(2010年为265个结果)。在这篇文章中，我们提供了外泌体生物学的概述，并探索其潜在的用途诊断和治疗工具-现在的市场价值超过4100万美元，预计到2027年将达到3.5891亿美元．

外泌体的生物学

外泌体的生物发生

外泌体是细胞外囊泡的一个子集，由它们的形成方式定义;通过多泡体成熟期间内体膜向内萌发(多功能车辆总线)。向内出芽产生腔内囊泡，囊泡可能遵循两种途径之一:溶酶体降解(当MVB与溶酶体融合时)或释放到细胞外空间(当MVB与质膜融合并排空其内容物时)。释放后，每个腔内囊泡都被称为“外泌体”。⁵

外泌体的组成

外泌体的典型直径为30 - 150nm，是细胞外囊泡中最小的一类。它们有一个双层脂质膜，包含所有基本的细胞生物分子，包括蛋白质、脂质、DNA、mRNA和miRNA。^{5 ， 6}

外泌体的生物学功能

外泌体曾经被认为是细胞碎片，现在被认为是细胞-细胞通信的基本模式和将生物活性内容物(蛋白质、核酸和脂质货物)传递到受体细胞的载体。⁷在外泌体研究领域，许多挑战阻碍了外泌体动力学的探索;即，缺乏已建立的标记，以及隔离协议的技术性和异质性。⁸

尽管如此，已经取得了稳步进展。早期的研究表明，外泌体可能针对特定的细胞——例如，有报道称纯化的b细胞来源的外泌体专门与滤泡树突状细胞结合，而不与其他细胞类型结合⁹总的来说，研究表明外泌体通过受体介导的内吞作用和/或融合被受体细胞吸收。一旦被摄取，它们似乎会影响许多过程，比如细胞增殖，细胞凋亡和极性。^{10 - - - - - - 12}

最近，成像和标记技术的发展使外泌体分泌和内部运输事件能够在供体和受体细胞中被捕获。^{7 ， 13}一项研究发表在自然通讯 ，一种新的双色报告揭示了迁移细胞前端的外泌体分泌，以及细胞在随后的外泌体路径上的强寻径行为。⁷引人注目的是，癌细胞不仅跟随了这条线索——它们还积极地内吞外泌体。Alissa韦弗范德比尔特大学细胞与发育生物学教授、该研究的首席研究员，概述了现场记者的价值:

“像这样的现场记者可以通过实时可视化外泌体与细胞的分泌和相互作用来揭示意想不到的细胞行为。虽然我们知道外泌体对于定向迁移很重要，但我们对细胞如此紧密地跟随外泌体的轨迹感到惊讶——就好像外泌体释放了一种吸引因子或信息素。”

这一发现支持了之前显示外泌体具有指导作用的研究细胞迁移，这又增加了一长串潜在的生物学作用。^{14 ， 15}最终，标记技术的进步代表了外泌体研究领域的重大进步，Weaver解释说:“我们的报告可用于研究细胞之间的自分泌和旁分泌相互作用，包括在活体动物中。我们预计它将被用于各种动物模型，以了解外泌体如何介导细胞-细胞通信。”

外泌体作为诊断工具

考虑到外泌体含有独特的货物，在几乎所有的生物流体中都有很强的存在，提供了很高的生物稳定性，并充当细胞间信使，因此在液体活检中探索其作为生物标志物的用途是不可避免的。^{16 ， 17}此外，外泌体在某些病理中的意义，如慢性阻塞性肺病，进一步支持了它们作为生物标志物的实用性。¹⁸

描述外泌体蛋白质组有助于识别表明癌症的放大信号通路，以及观察肿瘤的间质反应和对癌症治疗的反应。^{19 ， 20.}同样，外泌体DNA(包括腔内和腔外)和RNA可以作为癌症相关的核酸生物标志物。¹⁹的外泌体的诊断潜力不仅限于癌症;其他治疗领域也在探索中，如疼痛、自身免疫性疾病和妊娠高血压疾病。^{21 - 23}

然而，生物标记物验证的途径并不简单;众所周知，外泌体很难分离和鉴定。超离心，最多外泌体分离的常用方法，存在重大缺陷;这是一个多步骤、劳动密集型和昂贵的过程，可能会破坏外泌体的完整性。因此,其他外泌体分离方法韦弗说:“外泌体诊断绝对是一个值得研究的领域，因为外泌体存在于所有体液中，并与癌症行为的许多方面有关。”一种可能会有所帮助的方法是开发无纯化方法，如单囊泡流式细胞术或微流控捕获方法。事实上，很多组织都在研究这个问题。”

外泌体作为药物传递载体

除了有望作为诊断工具外，外泌体还具有许多特性，这使它们在药物输送方面具有吸引力;它们具有高度的生物相容性，可将有效载荷传递到受体细胞，并且在理论上可引起低免疫原性和细胞毒性。最终，如果它们的归巢能力得到利用，并克服肝脏清除，外泌体可以作为优秀的药物纳米载体。²⁴商业世界正认真对待这种可能性;2020年6月，仅三家大型制药公司就宣布了超过10亿美元的外泌体相关交易。²⁵随着制药行业寻求将疗法输送到难以触及的组织的新手段，与基因治疗公司的合作已经携手展开。²⁵

提高给药的特异性降低了潜在毒性脱靶相互作用的可能性，为以前无法治疗的疾病创造了新的可能性。例如，避免嵌合抗原受体(CAR) t细胞疗法的独特毒性是肿瘤治疗的主要挑战免疫治疗领域其中，细胞因子释放综合征和CAR - t相关脑病综合征是两种最常见的毒性作用。²⁶此外，由于它们的纳米级尺寸，外泌体可能更适合于实体肿瘤治疗。考虑到这些毒性和外泌体有希望的特性，研究人员已经开始探索外泌体作为癌症靶向剂的想法。²⁷在临床前阶段在活的有机体内在细胞因子释放综合征模型中，CAR - t细胞衍生的外泌体显示出很有希望的抗肿瘤疗效，表达了高水平的细胞毒分子，并且很有希望不会引起细胞因子释放综合征——支持外泌体作为肿瘤治疗策略的潜在用途。²⁶

外泌体启发疗法:外泌体模拟疗法

临床试验中的治疗性细胞外囊泡通常通过超离心和切向流过滤分离，这可能无法扩展到更大规模的研究和商业生产。²⁸因此，已经出现了一些策略来应对耗时的纯化和低产量的挑战，生物技术公司将他们的精力用于改进外泌体纯化的技术。与此同时，人们对外泌体模拟的兴趣也越来越大，即产生的囊泡保留了外泌体的主要特征，但产量更高。

为Wafa Al-Jamal，北爱尔兰贝尔法斯特女王大学药学院纳米医学和药物输送专业的读者 、英国她的任务是开发针对转移性前列腺癌的个性化、有效和安全的纳米药物。“我们的愿景是，”Al-Jamal说，“从患者的血细胞中设计出有针对性的外泌体模拟物，这样治疗就可以为每个患者定制。”Al-Jamal指出，在不对健康组织造成毒性的情况下，向转移性病变(尤其是骨转移性病变)提供有效剂量的化疗药物是多么具有挑战性。的方法,最近在可控释放杂志，旨在通过结合外泌体模拟物的内在亲和力和前列腺特异性膜抗原(PSMA)的主动靶向，将载药外泌体模拟物靶向晚期和转移性前列腺癌病变，从而改善药物输送。²⁹

Al-Jamal解释说:“我们的方法是基于使用不同孔径的膜将整个单核细胞过滤成更小的细胞模拟囊泡，这产生了类似于自然分泌的细胞外囊泡(例如，外泌体)的囊泡，但加速了生产并增加了产量。”“此外，我们的方法旨在制备在细胞表面表达前列腺靶向配体的靶向囊泡，从而消除将靶向配体附着在囊泡表面所需的化学过程。”

外泌体模拟也为治疗学提供了机会，即诊断和治疗应用相结合，以预测动物模型和患者的治疗结果。Al-Jamal解释了如何在单个纳米载体中实现诊断和治疗的共同递送:“由于外泌体模拟物的囊泡性质，药物和显像剂可以共同装载到相同的囊泡中。或者，显像剂可以偶联到囊泡表面。”

临床应用之路

细胞衍生的囊泡可能是细胞间通信的关键角色，这一概念为我们对细胞生物学的认识增加了新的维度。外泌体是有趣的囊泡，其特征使其成为有吸引力的诊断生物标志物和治疗载体。展望未来，了解外泌体在健康和疾病中的基本生物学功能将有助于临床进展。实时成像和报告，如Weaver团队所描述的，将是了解外泌体的自分泌和旁分泌功能的有用工具，并用于跟踪Al-Jamal开发的治疗方法。^13日,29日最终，有必要了解特定的货物如何驱动特定的功能，韦弗说:“特别是对于癌症，已知外泌体在驱动和维持癌症转移方面是重要的角色。确定介导这种行为的物质对确定疾病的新疗法和生物标志物非常重要。”

参考文献

1. 潘B-T，约翰斯通RM。绵羊网织红细胞成熟过程中转铁蛋白受体的命运在体外:受体的选择性外化。细胞．1983; 33(3): 967 - 978。doi:10.1016 / 0092 - 8674 (83) 90040 - 5
2. 哈丁C，斯塔尔P.转铁蛋白回收网织细胞:pH值和铁是配体结合和加工的重要决定因素。物化学。Biophys。Commun >,1983, 113(2): 650 - 658。doi:10.1016 / 0006 - 291 (83) 91776 - x
3. Johnstone RM, Adam M, Hammond JR, Orr L, Turbide C.网织细胞成熟过程中的囊泡形成。质膜活性与释放的囊泡(外泌体)的关系。生物。化学1987; 262 (19)：9412 - 9420。
4. 约翰斯通RM。回顾外泌体发现之路。血细胞Mol Dis。2005年,34(3):214 - 219。doi:10.1016 / j.bcmd.2005.03.002
5. Doyle L，王敏。细胞外囊泡的起源、组成、作用及外泌体分离与分析方法综述。细胞．2019; 8(7): 727。doi:10.3390 / cells8070727
6. 马golis L, Sadovsky Y.胞外囊泡生物学:已知的未知。公共科学图书馆杂志．2019; 17 (7): e3000363。doi:10.1371 / journal.pbio.3000363
7. 孙国强，王志强，等。外泌体分泌和摄取的活细胞报告揭示了迁移细胞的寻路行为。Nat。Commun．2020; 11(1)。doi:10.1038 / s41467 - 020 - 15747 - 2
8. 魏东，詹伟，高原，等。RAB31标记并控制escrt独立的外泌体通路。细胞Res．2020.doi:10.1038 / s41422 - 020 - 00409 - 1
9. 丹泽尔K，范艾克M, Kleijmeer MJ, Jakobson E, de Groot C, Geuze HJ。滤泡树突状细胞表面带有表达MHC ii类的微泡。j . Immunol。2000, 165(3): 1259 - 1265。doi:10.4049 / jimmunol.165.3.1259
10. Gonda A, Kabagwira J, Senthil GN, Wall NR.外泌体通过受体介导的内吞作用内化。Mol Cancer Res．2018年,17(2):337 - 347。doi:1541 - 7786. - 10.1158 / mcr - 18 - 0891
11. 张丽娟，张丽娟，张丽娟，等。外泌体介导乳腺癌细胞迁移中自分泌Wnt-PCP信号的间质动员。细胞．2012, 151(7): 1542 - 1556。doi:10.1016 / j.cell.2012.11.024
12. 黄健，丁铮，罗强，徐伟。癌细胞来源的外泌体通过传递α -平滑肌肌动蛋白促进正常肺成纤维细胞和非小细胞肺癌细胞的增殖和抑制细胞凋亡。点。j . Transl。Res．2019; 11(3): 1711 - 1723。
13. Bebelman MP, Bun P, Huveneers S, van Niel G, Pegtel DM, Verweij FJ。实时成像的多泡体-质膜融合量化外泌体从单细胞释放。Nat Protoc．2019; 15(1): 102 - 121。doi:10.1038 / s41596 - 019 - 0245 - 4
14. 李志强，李志强，等。细胞外囊泡通过合成和释放趋化信号来指导迁移。J.细胞生物学．2018, 217(8): 2891 - 2910。doi:10.1083 / jcb.201710170
15. 宋BH，韦伟AM。外泌体分泌促进癌细胞的趋化性。细胞Adh Migr。2017; 11(2): 187 - 195。doi:10.1080 / 19336918.2016.1273307
16. 张志强，张志强，张志强，等。使用纳米膜超滤浓缩器快速分离尿外泌体生物标志物。点。j .杂志。肾杂志．2007年,292 (5):F1657-F1661。doi:10.1152 / ajprenal.00434.2006
17. 周斌，徐凯，郑旭，等。外泌体液体活检在临床诊断中的应用。信号传输目标Ther．2020; 5(1)。doi:10.1038 / s41392 - 020 - 00258 - 9
18. 陈建平，陈建平，陈建平，等。活化的PMN外泌体:引起基质破坏和肺部疾病的致病实体。细胞．2019, 176 (2): 113 - 126. - e15。doi:10.1016 / j.cell.2018.12.002
19. LeBleu VS, Kalluri R.外泌体作为癌症的多组分生物标志物平台。趋势癌症．2020; 6(9): 767 - 774。doi:10.1016 / j.trecan.2020.03.007
20. 李I, Nabet BY。肿瘤微环境中的外泌体作为癌症治疗耐药性的介质。摩尔。癌症．2019; 18(1)。doi:10.1186 / s12943 - 019 - 0975 - 5
21. D 'Agnelli S, Gerra MC, Bignami E, Arendt-Nielsen L.外泌体作为一种新的疼痛生物标志物机会。摩尔。痛苦．2020; 16:174480692095780。doi:10.1177 / 1744806920957800
22. 王晓明，王晓明，王晓明，等。外泌体:类风湿性关节炎的有效参与者。Autoimmun。牧师．2020; 19(6): 102511。doi:10.1016 / j.autrev.2020.102511
23. 王晓燕，王晓燕，王晓燕，等。胎盘外泌体作为子痫前期的早期生物标志物:外泌体microrna在妊娠期的潜在作用。j .中国。性。金属底座．2017, 102(9): 3182 - 3194。doi:10.1210 / jc.2017 - 00672
24. 李国强，李国强。临床肿瘤纳米药物研究。纳米今天．2019; 25:85 - 98。doi:10.1016 / j.nantod.2019.02.005
25. 大型制药公司购买外泌体用于药物输送。Nat。．38 2020;(11): 1226 - 1228。doi:10.1038 / s41587 - 020 - 0725 - 7
26. 付伟，雷超，刘松，等。CAR- t细胞衍生的CAR外泌体具有强大的抗肿瘤作用和低毒性。Nat。Commun．2019; 10(1)。doi:10.1038 / s41467 - 019 - 12321 - 3
27. 徐震，曾松，龚震，闫艳。外泌体免疫治疗:一种有前景的癌症治疗方法。摩尔。癌症．2020; 19(1)。doi:10.1186 / s12943 - 020 - 01278 - 3
28. wwitwer KW, Wolfram J.用于药物传递的细胞外囊泡与合成纳米颗粒。纳特·脱线牧师。2021.doi:10.1038 / s41578 - 020 - 00277 - 6
29. Severic M, Ma G, Pereira SGT, Ruiz A，张CCL, Al-Jamal WT.靶向晚期前列腺癌的基因工程抗psma外泌体模拟物在体外而且在活的有机体内．j .控制。释放．2021; 330:101 - 110。doi:10.1016 / j.jconrel.2020.12.017