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学术前沿丨外泌体技术及其主要研究进展概述

2023-03-04 13:15 • 外泌体应用 • 阅读 105821

外泌体是细胞分泌的大小约为30-150nm的纳米物质，是细胞外囊泡的一类，结构类似于细胞，磷脂双分子层表面具有多种特异性膜蛋白，内部搭载着多种蛋白质、RNA、DNA等重要生物信号物质，广泛分布于血液、尿液、脑脊液、唾液、乳汁、胆汁等各种体液中。

2013年，诺贝尔生理学或医学奖颁给在细胞间囊泡运输调控机制领域作出突出贡献的科学家，将外泌体研究的热度推向高潮。外泌体技术分别在疾病诊断检测、治疗、药物递送等方面展现出巨大的应用潜力，成为近年来新兴的热门研究赛道。

图1 作出突出贡献的科学家

其中，外泌体作为载体综合细胞药物递送和纳米技术的优势。

图表2 外泌体载体优势

细胞外囊泡分类

正常生理状态或受到外界刺激下，所有细胞都可以分泌一类具有膜结构的囊泡，统称为细胞外囊泡。

目前主要被分为3大类：外泌体、微囊泡和凋亡小体，临床研究中主要关注的是外泌体。根据大小、合成方式、生物学性质，细胞外囊泡分为多种不同亚型，不同细胞来源的细胞外囊泡也会在功能上相差甚远。

与其它几类细胞外囊泡相比，外泌体的结构更加稳定，可以包裹的内容物也更加丰富，使外泌体成为优异的药物递送载体，且丰富的内含物使之具有诊断潜力。

图表3 细胞外囊泡分类

关键成分：外泌体的组成包括位于外泌体内部或表面的脂类、核酸和各种蛋白质（具体信息见下表）。外泌体的蛋白质含量可分为特定型和非特定型，特定型蛋白在外泌体用于药物载体中发挥重要的支架蛋白作用，是药物递送系统中的关键成分。

图表4 外泌体组成成分

外泌体内含物处于动态变化中，内容物的募集是一个有特定分子机制的主动过程。不同细胞来源的外泌体，数量和内含物种类具有很大差异性，决定每种外泌体功能不一样。

图表5 不同细胞来源外泌体功能对比

外泌体所携带的物质与其来源的细胞有关，正是外泌体的这种异质性为疾病的诊断与监测提供可能。

外泌体发生及介导的细胞间通讯

2.1

外泌体的发生

外泌体起源于内吞途径,经典的外泌体形成起始于细胞质膜内陷形成的分泌内体。外泌体形成过程中，细胞溶质蛋白、核酸和脂质等被选择性地包裹在外泌体中，外泌体能够从亲本细胞中继承许多特定的生物分子，这是其异质性的原因之一。外泌体可以介导机体免疫应答、抗原提呈、细胞迁移、细胞分化、肿瘤侵袭等方面，外泌体的功能取决于细胞的类型。

图表6 外泌体的生物来源过程和结构

2.2

外泌体介导的细胞间通讯

外泌体的主要作用是信息传递。外泌体发挥功能作用一般是通过其表面分子与其它细胞受体靶向结合实现的，通过受体-配体作用、内吞或内化以及与靶细胞的膜融合将miRNA等成分传递至受体细胞胞浆内，再与受体细胞的活性成分相互作用，从而引起相应的功能改变。

外泌体的特异性及靶细胞摄取外泌体的不同方式使其在细胞间通讯中的功能复杂化，目前尚不清楚不同的方式是否会造成外泌体的定位、降解或功能的差异。外泌体合成与分泌、摄取等机制需进一步系统深入的研究，为其临床应用提供指导基础。

图表7 外泌体介导细胞间通讯的三种方式

外泌体研究进展

目前学术界、工业界对于外泌体的研究研发方向主要聚焦在疾病早期诊断的标志物、疾病治疗药物、外泌体的抑制以及药物递送载体四大方面。目前研究较多的主要集中在来源于多能干细胞和肿瘤细胞的外泌体上。

3.1

外泌体在间充质干细胞领域研究进展

通过主题词、共被引聚类分析结果显示肾脏疾病、再生修复、心脏疾病、骨科疾病、炎症为间充质干细胞外泌体研究热点领域。

图表8 MSCs外泌体相关研究和领域关键词共现聚类图

干细胞或祖细胞的积极作用被证明是通过旁分泌因子，特别是由存活细胞分泌的EVs介导的。有研究已经证明在MI、肢体缺血和慢性皮肤损伤的情况下，干细胞或祖细胞以及分化的体细胞分泌的EVs的再生特性。

图表9 MSCs-Exo 主要研究进展

心血管疾病是导致人类死亡的主要原因之一，而间充质干细胞释放的外泌体（MSCs旁分泌的集合体，EVs）作用于心脏和血管，可以发挥抗凋亡、抗炎和抗纤维化、抑制氧化应激、增强血管生成等作用，是MSCs移植治疗关键的作用机制。外泌体在癌症、心血管疾病、结核病和中枢神经系统等疾病的诊断、治疗均已显示出良好的效果。

3.2

外泌体在肿瘤领域中研究进展

肿瘤细胞来源外泌体在肿瘤发生的分子机制、诊断和治疗中发挥重要的作用，在肺癌、乳腺癌、肝癌等，均已证明能促进癌细胞的迁移及侵袭，增加肿瘤转移的风险。外泌体在癌症中具有广泛的功能。

图表10 外泌体在癌症中的研究进展

外泌体对肿瘤微环境、上皮细胞-间充质转化和化疗药物的耐药性均有调节作用，进而促进肿瘤的发生、侵袭、进展。

图表11 肿瘤来源的外泌体在肿瘤进展

和病理过程中的潜在作用

目前，外泌体在癌症中主要用于肿瘤疫苗和药物载体。外泌体生物相容性好，有更低的免疫原性；几乎无毒性；纳米尺寸和柔韧性使它们能够跨越主要的生物屏障，例如血脑屏障、胎盘屏障等，实现复杂系统部位的递药，是安全而稳定的内源性纳米载体。

临床上用于体内递送的mRNA载体主要是脂质纳米颗粒（LNP），但由于其封装过程耗时、复杂，不适合个性化肿瘤疫苗的定制生产。因此，迫切需要一种能够快速展示mRNA抗原并具有先天免疫刺激功能的新型纳米载体，以进一步开发基于mRNA的个性化肿瘤疫苗。国家纳米科学中心聂广军团队使用细菌来源的外泌体（OMVs）作为mRNA递送平台，并通过基因工程对其进行表面修饰（OMV-LL），试验结果表明OMV-LL-mRNA不但能够显著抑制肿瘤进展，而且可以诱导长期免疫记忆。这种外泌体载体不同于LNP，可用于个性化mRNA肿瘤疫苗开发，有望在mRNA疫苗中得到广泛应用。

核酸药物和疫苗新的递送技术⼀直也是各⼤药企关注的⽅向，在许多载体技术中，外泌体被认为具有潜⼒解决RNA药物在体内递送的瓶颈，随着技术的不断发展，期待后期更多⼩核酸药物研发上市的最新进展。

图表12 外泌体递送疫苗的优势

小结

随着技术的进步，外泌体已经越来越被人们熟知，其应用也愈加广泛。外泌体是具有纳米尺寸的细胞囊泡，具有高生物活性，能参与细胞之间的交流，调控炎症水平、促进组织再生。

如今，众多企业正在开发外泌体治疗或诊断方法，针对纯天然和工程化的外泌体产品进行临床试验，迄今为止，全球目前共有近50家开展外泌体相关研究的企业。其中，近1/3专注于外泌体诊断相关业务，超过2/3主要开展外泌体药物相关的研究。而在药物研究中，企业主要集中布局在肿瘤（30%）、脑部疾病（16%）、肺部疾病（7%）、皮肤病（5%）、疫苗开发（13%）、医美修护（8%）、肝脏疾病（5%）、肾部疾病（3%）以及基因治疗/罕见病（13%）等9类适应证及应用场景。

目前，国内外相关的研究正如火如荼地进行中。外泌体药物生产工业化（规模、纯度、成本、一致性和标准化）是目前面临的重大挑战。相信未来几年，从事外泌体产品开发的项目或企业将不断增加，最终外泌体产品将走向商业化，造福患者。

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