2020年外泌体研究进展及其展望
来源：本站原创 2020-12-31 06:53
2020年12月31日讯/生物谷BIOON/---外泌体（exosome）是由大多数类型细胞分泌的微小膜囊泡。外泌体最早是指多囊泡胞内体（multivesicular endosome, MVE）的细胞区室与细胞膜融合后，释放到细胞外基质中的一种直径约30~120nm 的膜囊泡，现特指直径为直径在40~160nm（平均100nm）的膜囊泡。外泌体形成的第一步
2020年12月31日讯/生物谷BIOON/---外泌体（exosome）是由大多数类型细胞分泌的微小膜囊泡。外泌体最早是指多囊泡胞内体（multivesicular endosome, MVE）的细胞区室与细胞膜融合后，释放到细胞外基质中的一种直径约30~120nm 的膜囊泡，现特指直径为直径在40~160nm（平均100nm）的膜囊泡。外泌体形成的第一步是MVE通过向内出芽的方式形成内囊泡，这些内囊泡含有脂质、蛋白、mRNA和miRNA。
外泌体的第一次发现是在将近40年前。但是，当初人们仅仅认为它是垃圾桶，它的作用是丢弃不想要的细胞组分。但是，此后，越来越多的证据表明外泌体也作为信使，竟然传递信息到相隔较远的组织。外泌体含有细胞特异性的蛋白质、脂质和遗传物质可被运送到其他的细胞，从而改变它们的功能和生理。
外泌体具有脂质双层膜结构，膜表面富含鞘磷脂、胆固醇和神经酰胺脂筏脂质；内含丰富的蛋白，包括膜转运因子、信号转导因子（如β-连环蛋白、Wnt）、细胞骨架蛋白（如β-肌动蛋白、肌球蛋白和微管蛋白）、在细胞粘附中发挥重要作用的跨膜蛋白（如CD9、CD63、CD81和CD82），以及参与蛋白折叠过程的热休克蛋白。其中，Alix、TSG101和CD63等蛋白可作为外泌体的生物标志物，用于外泌体的鉴定。此外，外泌体还携带有大量细胞分泌的核酸分子，包括信使RNA（mRNA）和微小RNA（microRNA，miRNA，miR），作为细胞间通讯的载体，通过转运、内吞方式进入靶细胞，调节细胞基因表达，改变细胞命运。
根据分泌外泌体的细胞的类型和生理状态，外泌体与摄入它的靶细胞发生相互作用诱导的变化差异很大，要么能够有助于防御疾病，要么在一些情况下恶化疾病。比如，成熟的树突细胞分泌的外泌体携带抗原，能够诱导抗原特异性的免疫反应。另一方面，在免疫抑制试剂存在的培养物中，小鼠树突细胞分泌的外泌体能够促进免疫耐受性。类似地，非病原性的分枝杆菌感染的巨噬细胞释放的外泌体携带细菌抗原，然后被其他的抗原呈递细胞摄取从而促进免疫反应。相反地，病原性的分枝杆菌菌株感染的巨噬细胞释放的外泌体抑制巨噬细胞激活和细胞因子释放，因而抑制将由分枝杆菌抗原诱导的免疫反应。
除了免疫系统之外，外泌体可能影响其他的生理功能。神经细胞、上皮细胞、肌细胞和干细胞分泌的外泌体可能存在的功能包括促进组织修复、神经系统内通信以及诸如朊病毒蛋白之类的病理性蛋白的形成和转移。比如，神经元分泌携带神经传递质受体的外泌体，因而能够参与胞外空间的神经传递质的清除从而阻止信号传导，而且/或者传递这些受体到其他细胞，从而使得它们对神经传递质作出反应。
越来越多的科学家们也对肿瘤细胞分泌的外泌体越来越感兴趣。90%以上的癌症患者死于肿瘤转移。血液循环中的肿瘤细胞（CTC）要到达新的位点，肿瘤细胞分泌的外泌体发挥的作用至关重要。外泌体可参与到身体免疫应答、抗原提呈、细胞迁移、细胞分化、肿瘤侵袭等方方面面。针对2020年外泌体取得的进展，进行一番梳理，以飨读者。
1.外泌体形成新机制
2020年9月，我国中山大学肿瘤防治中心康铁邦团队鉴定出一种由RAB31标记并控制的转运必需内体分选复合体（endosomal sorting complexes required for transport, ESCRT）非依赖的外泌体通路。相关研究结果发表在Cell Research期刊上，论文标题为“RAB31 marks and controls an ESCRT-independent exosome pathway”。
具体而言就是，活性的RAB31驱动EGFR进入MVE形成腔内囊泡（intraluminal vesicle, ILV）和外泌体，而EGFR，也许还有其他的受体酪氨酸激酶（RTK），让RAB31发生磷酸化以驱动外泌体的形成。脂筏微结构域（lipid raft microdomain）中的Flotillin蛋白参与了由活性RAB31驱动的这种ILV形成，而RAB31与ESCRT机制无关。RAB31招募TBC1D2B来让RAB7失活，以抑制MVE与溶酶体的融合，并使外泌体得以分泌。这些发现极大地提升了人们对外泌体生物发生的认识和理解。
2.外泌体与癌症生长、复发和治疗抵抗性密切相关
2020年2月，Moran Amit等人发现口腔鳞状细胞癌（OCSCC）通过释放装有miRNA的外泌体与神经进行沟通，并与它们连接在一起。外泌体装载的miRNA 根据肿瘤的p53状态而有所不同。来自缺乏p53的肿瘤的外泌体中的miRNA与现有的感觉神经（一种不同的神经类型）相连接在一起，并且实际上将它们转变为肾上腺素能神经类型。然后，这些新的肾上腺能神经侵入肿瘤。为了证实这一发现，他们在小鼠体内诱导缺乏p53的肿瘤产生之前切断了感觉神经。肿瘤释放出来的外泌体失去了作用靶标---感觉神经，它们就缩小了。相关研究结果发表在Nature期刊上，论文标题为“Loss of p53 drives neuron reprogramming in head and neck cancer”。
2020年4月，Valya Ramakrishnan等人为了了解胶质母细胞瘤如何对放疗产生抵抗力，在放疗之前和之后收集了患者的临床肿瘤样品，并比较了miRNA的水平。他们发现虽然大多数miRNA的水平在放疗后均保持不变，但Chen的团队确定了一个很小的miRNA亚群，尤其是miR-603，在放疗后其表达水平会降低。结果导致胶质母细胞瘤细胞增加了蛋白产生，使它们对放疗变得不再敏感。重要的是，这些癌细胞将miR-603包装到外泌体等胞外囊泡中，所产生的囊泡在细胞之间进行通信。这些发现有助于开发治疗胶质母细胞瘤的新策略。相关研究结果发表在EBiomedicine期刊上，论文标题为“Radiation-induced extracellular vesicle (EV) release of miR-603 promotes IGF1-mediated stem cell state in glioblastomas”。
2020年6月，Yong Wang等人在一种新型、组织工程化的三维乳腺癌模拟系统中，发现生物机械力能明显改变乳腺癌细胞的蛋白质组学特征并能增强外泌体的产生。所产生的外泌体能够直接促进恶性肿瘤细胞的生长，并诱导肿瘤微环境中的免疫抑制反应及改变免疫细胞的极化作用。相关研究结果发表在Laboratory Investigation期刊上，论文标题为“Mechanical strain induces phenotypic changes in breast cancer cells and promotes immunosuppression in the tumor microenvironment”。
3.利用外泌体治疗癌症
2020年9月，来自中国香港大学和中国科学技术大学的研究人员报道源自Vδ2-T细胞的外泌体（下称Vδ2-T-Exos）可以有效控制爱泼斯坦-巴尔病毒（EBV）相关肿瘤，并诱导T细胞抗肿瘤免疫反应。他们发现Vδ2-T-Exos含有死亡诱导配体（FasL和TRAIL）和免疫刺激分子（CD80、CD86、MHC-I和MHC-II）。Vδ2-T-Exos通过FasL和TRAIL途径靶向并有效地杀死EBV相关肿瘤细胞，并促进EBV抗原特异性CD4 T细胞和CD8 T细胞扩增。给予Vδ2-T-Exos可有效控制免疫缺陷小鼠和人源化小鼠中的EBV相关肿瘤。针对Vδ2-T-Exos的这些突破性新发现为开发针对EBV相关肿瘤的新疗法提供了新见解。相关研究结果发表在Science Translational Medicine期刊上，论文标题为“Exosomes derived from Vδ2-T cells control Epstein-Barr virus–associated tumors and induce T cell antitumor immunity”。
2020年1月，Gaofeng Liang等人利用经过改造的外泌体共递送5-氟尿嘧啶（5-FU）和miR-21抑制剂靶向结肠癌细胞，体外和体内实验结果表明了用工程化外泌体递送5-FU和miR-21i可有效逆转结直肠癌耐药性，并显著增强化疗药物5-FU增强对耐药结直肠癌细胞的疗效。相关研究结果发表在Journal of Nanobiotechnology期刊上，论文标题为“Engineered exosomes for targeted co-delivery of miR-21 inhibitor and chemotherapeutics to reverse drug resistance in colon cancer”。
4.利用外泌体改善心血管疾病治疗
2020年10月，Ling Gao等人在因实验性心脏病发作而导致心肌受损的幼年猪中发现，利用由人诱导性多能干细胞（hiPSC）产生的心脏细胞（hiPSC-CC）天然分泌的外泌体（下称hiPSC-CC外泌体）实现的再生效益相当于注射hiPSC-CC。相关研究结果发表在Science Translational Medicine期刊上，论文标题为“Exosomes secreted by hipsC-derived cardiac cells improve recovery from myocardial infarction in swine”。他们发现接受hiPSC-CC外泌体注射的猪在左心室功能、梗死大小、壁应力、心脏肥大、细胞凋亡和血管生成方面的测量结果取得显著改善，同时并它们的心律失常频率也没有增加。此外，hiPSC-CC外泌体可促进体外培养的内皮细胞和分离的主动脉环中的血管生长，并通过减少细胞凋亡和维持细胞内钙平衡，保护体外培养的由hiPSC产生的心肌细胞免受无血清低氧培养基的细胞毒性作用。hipsC-CC外泌体还增加了细胞ATP的含量，这是有益的，原因在于细胞ATP代谢的不足被认为导致左心室肥大和心力衰竭患者心脏功能逐渐下降。
2020年7月，Yuto Nakamura等人发现将间充质干细胞（MSC）注射到患有心力衰竭的小鼠体内，可使得它们的左心室心功能得到显著改善，这与MSC产生的外泌体数量的增加有关。MSC治疗后的心脏功能可通过血液中脂联素水平的增加而得到进一步加强，而脂联素数量的增加会导致MSC产生的外泌体丰度相应增加，而这依赖于MSC中T-钙黏蛋白的表达。相关研究结果发表在Molecular Therapy期刊上，论文标题为“Adiponectin Stimulates Exosome Release to Enhance Mesenchymal Stem-Cell-Driven Therapy of Heart Failure in Mice”。
2020年8月，Samantha E. Spellicy等人发现中风损伤部位附近未经治疗的脑细胞很快因缺氧而死亡，这会触发整个大脑网络的致命损伤信号，从而可能危害数百万个健康的脑细胞，但是通过静脉注射神经干细胞（NSC）产生的分泌体（下称NSC分泌体）可导致猪在中风后完全康复。相关研究结果发表在Translational Stroke Research期刊上，论文标题为“Neural Stem Cell Extracellular Vesicles Disrupt Midline Shift Predictive Outcomes in Porcine Ischemic Stroke Model”。
5.利用外泌体抵抗微生物感染
2020年3月，Matthew D. Keller等人证实自噬蛋白ATG16L1和其他ATG蛋白通过释放外泌体上的金属蛋白酶ADAM10介导对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）产生的α-毒素的保护作用。在这一过程中，细菌DNA和CpG DNA诱导人细胞以及小鼠分泌了带有ADAM10的外泌体。所分泌的外泌体通过充当可以结合多种毒素的清除剂，在体外保护宿主细胞，并在体内提高了感染了MRSA的小鼠的存活率。相关研究结果发表在Nature期刊上，论文标题为“Decoy exosomes provide protection against bacterial toxins”。
2020年9月，Xue Zou等人将携带具有广谱抗病毒活性的IFITM3蛋白的外泌体注射到怀孕小鼠的尾静脉，发现这种改造的外泌体可穿过胎盘传递IFITM3 分子，并有效抑制寨卡病毒感染，而且最为重要的是，注射三倍剂量的外泌体仍然没有在试验小鼠上观察到对母体或胚胎的毒副作用。这些发现表明利用外泌体递送IFITM3可能用于治疗妊娠期寨卡病毒感染。相关研究结果发表在Molecular Therapy期刊上，论文标题为“EVs Containing Host Restriction Factor IFITM3 Inhibited ZIKV Infection of Fetuses in Pregnant Mice through Trans-placenta Delivery”。
6.利用外泌体促进组织再生
2020年7月，Shiqi Hu等人在小鼠毛发再生模型中，研究了用二维培养的真皮乳头（dermal papillae, DP）细胞（下称2-D DP细胞）、角蛋白支架中的三维球体培养的DP细胞（下称3-D DP细胞）以及商业化的脱发治疗药物米诺地尔（Minoxidil）治疗的小鼠毛发再生的速度。在20天的试验中，用3-D DP细胞治疗的小鼠在15天时恢复了90%的毛发覆盖率。在3-D DP细胞产生的外泌体中，他们精确地确定了miR-218-5p，这是一种能够增强负责促进毛囊生长的分子途径的miRNA。他们发现，增加miR-218-5p可以促进毛囊生长，而抑制它则会使毛囊失去功能。相关研究结果发表在Science Advances期刊上，论文标题为“Dermal exosomes containing miR-218-5p promote hair regeneration by regulating β-catenin signaling”。
2020年6月，Hongxing Hu等人在体外实验中发现人脐带间充质干细胞衍生的小细胞外囊泡（human umbilical cord mesenchymal stem cells derived small extracellular vesicle, hUC-MSCs-sEV）促进了绒毛膜细胞和人骨髓间充质干细胞（hBMSC）的迁移、增殖和分化。MiRNA芯片显示，miR-23a-3p是hUC-MSCs-sEV中含有的各种miRNA中表达量最高的。他们的数据显示，hUC-MSCs-sEV通过转移miR-23a-3p来抑制PTEN的水平和提升AKT的表达，从而促进软骨再生。此外，他们构建出具有生物相容性并表现出优异的机械性能的甲基丙烯酸明胶（Gelma）/纳米粘土（nanoclay）水凝胶（Gel-nano），用于持续释放hUC-MSCs-sEV。体内结果表明含有hUC-MSCs-sEV的Gel-nano水凝胶有效促进软骨再生。这些结果表明，含有hUC-MSCs-sEV的Gel-nano水凝胶在刺激软骨生成和愈合软骨缺陷方面具有很好的前景，同时也为了解hUC-MSCs-sEV在软骨再生中的作用和机制提供了宝贵的数据。相关研究结果发表在Journal of Extracellular Vesicles期刊上，论文标题为“miR-23a-3p-abundant small extracellular vesicles released from Gelma/nanoclay hydrogel for cartilage regeneration”。
2020年11月，Connie S. Chamberlain等人发现间充质干细胞（MSC）来源的外泌体（下称MSC外泌体）改善了大鼠内侧副韧带（MCL）功能并降低了M1 / M2巨噬细胞比例，其中M1巨噬细胞可抵抗细菌和病毒，而M2巨噬细胞则主要促进伤口愈合和组织修复。此外，在肌腱愈合模型中，MSC外泌体还能提高损伤韧带胶原蛋白表达水平、同时减少疤痕产生。相关研究结果发表在Stem Cells期刊上，论文标题为“Exosome‐educated macrophages and exosomes differentially improve ligament healing”。
7.利用外泌体检测癌症
2020年8月，Ayuko Hoshino等人报道，肿瘤释放的细胞外囊泡和颗粒（extracellular vesicle and particle, EVP）可用于在早期阶段检测多种不同类型的癌症。他们使用了来自包括乳腺癌、结肠癌和肺癌在内的18种不同癌症的样本。通过使用计算生物学方法将特定的EVP蛋白特征与某些类型的癌症相匹配，他们发现计算机可以从样本中识别出不同类型的癌症，其灵敏度为95％，特异性为90％。相关研究结果发表在Cell期刊上，论文标题为“Extracellular Vesicle and Particle Biomarkers Define Multiple Human Cancers”。
2020年3月，Junxiang Zhao等人在利用热泳富集和核酸适体标记实现了细胞外囊泡表面蛋白组测量和癌症分类的基础上，开发出结合纳米耀斑（nanoflare）与热泳的检测新方法，实现了0.5 μL血清样本中外泌体microRNA的高灵敏检测，检出限低至0.36 fM，接近qRT-PCR。纳米耀斑通过被动输运进入外泌体后，可以特异性识别靶标microRNA并产生荧光信号。外泌体在热泳作用下快速汇聚，有效放大其中纳米耀斑产生的荧光信号，提高外泌体microRNA的检测灵敏度。相关研究结果发表在JACS期刊上，论文标题为“Thermophoretic Detection of Exosomal microRNAs by Nanoflares”。
8.结语
人们当前对包括外泌体在内的胞外囊泡生理学、多样性、内化和分子货物运送的了解仍然非常有限，因而无法准确地针对胞外囊泡如何与受者细胞相互作用并对它们进行修饰的机制得出结论。为了让胞外囊泡领域取得进展，有必要以综合的方式进行研究，包括分子、细胞和功能表征，从而尽可能地比较一种给定实验系统中的不同胞外囊泡亚型。这些方法对于确定哪些分子或机制对某些胞外囊泡亚型是特异性的，哪些是适用于所有胞外囊泡亚型的至关重要。
不同细胞生成外泌体的速率有所差别，外泌体的大小和组分存在高度的异质性，但其中组分与来源细胞有密切关系。目前对外泌体形成的动力学，外泌体组分调控机制，外泌体标志物等方面的认识还比较局限，相关研究还有待继续深入开展。（生物谷 Bioon.com）
参考文献：
1.Graça Raposo et al. Extracellular vesicles: Exosomes, microvesicles, and friends. Journal of Cell Biology, 2013, doi:10.1083/jcb.201211138.
2.Denghui Wei et al. RAB31 marks and controls an ESCRT-independent exosome pathway. Cell Research, 2020, doi:10.1038/s41422-020-00409-1.
3.Ling Gao et al. Exosomes secreted by hipsC-derived cardiac cells improve recovery from myocardial infarction in swine. Science Translational Medicine, 2020, doi:10.1126/scitranslmed.aay1318.
4.Yuto Nakamura et al. Adiponectin Stimulates Exosome Release to Enhance Mesenchymal Stem-Cell-Driven Therapy of Heart Failure in Mice. Molecular Therapy, 2020, doi:10.1016/j.ymthe.2020.06.026.
5.Samantha E. Spellicy et al. Neural Stem Cell Extracellular Vesicles Disrupt Midline Shift Predictive Outcomes in Porcine Ischemic Stroke Model. Translational Stroke Research, 2020, doi: 10.1007/s12975-019-00753-4.
6.Xiwei Wang et al. Exosomes derived from Vδ2-T cells control Epstein-Barr virus–associated tumors and induce T cell antitumor immunity. Science Translational Medicine, 2020, doi:10.1126/scitranslmed.aaz3426.
7.Moran Amit et al. Loss of p53 drives neuron reprogramming in head and neck cancer. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-1996-3.
8.Valya Ramakrishnan et al. Radiation-induced extracellular vesicle (EV) release of miR-603 promotes IGF1-mediated stem cell state in glioblastomas. EBioMedicine, 2020, doi:10.1016/j.ebiom.2020.102736.
9.Yong Wang et al. Mechanical strain induces phenotypic changes in breast cancer cells and promotes immunosuppression in the tumor microenvironment. Laboratory Investigation, 2020, doi:10.1038/s41374-020-0452-1.
10.Gaofeng Liang et al. Engineered exosomes for targeted co-delivery of miR-21 inhibitor and chemotherapeutics to reverse drug resistance in colon cancer. Journal of Nanobiotechnology, 2020, doi:10.1186/s12951-019-0563-2.
11.Matthew D. Keller et al. Decoy exosomes provide protection against bacterial toxins. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2066-6.
12.Xue Zou et al. EVs Containing Host Restriction Factor IFITM3 Inhibited ZIKV Infection of Fetuses in Pregnant Mice through Trans-placenta Delivery. Molecular Therapy, 2020, doi: 10.1016/j.ymthe.2020.09.026.
13.Ayuko Hoshino et al. Extracellular Vesicle and Particle Biomarkers Define Multiple Human Cancers. Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.07.009.
14.Junxiang Zhao et al. Thermophoretic Detection of Exosomal microRNAs by Nanoflares. JACS, 2020, doi:10.1021/jacs.9b13960.
15.Hongxing Hu et al. miR-23a-3p-abundant small extracellular vesicles released from Gelma/nanoclay hydrogel for cartilage regeneration. Journal of Extracellular Vesicles, 2020, doi:10.1080/20013078.2020.1778883.
16.Connie S. Chamberlain et al. Exosome‐educated macrophages and exosomes differentially improve ligament healing. Stem Cells, 2020, doi:10.1002/stem.3291.
17.Raghu Kalluri et al. The biology, function, and biomedical applications of exosomes. Science, 2020, doi:10.1126/science.aau6977.
外泌体的第一次发现是在将近40年前。但是，当初人们仅仅认为它是垃圾桶，它的作用是丢弃不想要的细胞组分。但是，此后，越来越多的证据表明外泌体也作为信使，竟然传递信息到相隔较远的组织。外泌体含有细胞特异性的蛋白质、脂质和遗传物质可被运送到其他的细胞，从而改变它们的功能和生理。
外泌体具有脂质双层膜结构，膜表面富含鞘磷脂、胆固醇和神经酰胺脂筏脂质；内含丰富的蛋白，包括膜转运因子、信号转导因子（如β-连环蛋白、Wnt）、细胞骨架蛋白（如β-肌动蛋白、肌球蛋白和微管蛋白）、在细胞粘附中发挥重要作用的跨膜蛋白（如CD9、CD63、CD81和CD82），以及参与蛋白折叠过程的热休克蛋白。其中，Alix、TSG101和CD63等蛋白可作为外泌体的生物标志物，用于外泌体的鉴定。此外，外泌体还携带有大量细胞分泌的核酸分子，包括信使RNA（mRNA）和微小RNA（microRNA，miRNA，miR），作为细胞间通讯的载体，通过转运、内吞方式进入靶细胞，调节细胞基因表达，改变细胞命运。
外泌体形成过程，图片来自Journal of Cell Biology, doi:10.1083/jcb.201211138。
根据分泌外泌体的细胞的类型和生理状态，外泌体与摄入它的靶细胞发生相互作用诱导的变化差异很大，要么能够有助于防御疾病，要么在一些情况下恶化疾病。比如，成熟的树突细胞分泌的外泌体携带抗原，能够诱导抗原特异性的免疫反应。另一方面，在免疫抑制试剂存在的培养物中，小鼠树突细胞分泌的外泌体能够促进免疫耐受性。类似地，非病原性的分枝杆菌感染的巨噬细胞释放的外泌体携带细菌抗原，然后被其他的抗原呈递细胞摄取从而促进免疫反应。相反地，病原性的分枝杆菌菌株感染的巨噬细胞释放的外泌体抑制巨噬细胞激活和细胞因子释放，因而抑制将由分枝杆菌抗原诱导的免疫反应。
除了免疫系统之外，外泌体可能影响其他的生理功能。神经细胞、上皮细胞、肌细胞和干细胞分泌的外泌体可能存在的功能包括促进组织修复、神经系统内通信以及诸如朊病毒蛋白之类的病理性蛋白的形成和转移。比如，神经元分泌携带神经传递质受体的外泌体，因而能够参与胞外空间的神经传递质的清除从而阻止信号传导，而且/或者传递这些受体到其他细胞，从而使得它们对神经传递质作出反应。
越来越多的科学家们也对肿瘤细胞分泌的外泌体越来越感兴趣。90%以上的癌症患者死于肿瘤转移。血液循环中的肿瘤细胞（CTC）要到达新的位点，肿瘤细胞分泌的外泌体发挥的作用至关重要。外泌体可参与到身体免疫应答、抗原提呈、细胞迁移、细胞分化、肿瘤侵袭等方方面面。针对2020年外泌体取得的进展，进行一番梳理，以飨读者。
1.外泌体形成新机制
2020年9月，我国中山大学肿瘤防治中心康铁邦团队鉴定出一种由RAB31标记并控制的转运必需内体分选复合体（endosomal sorting complexes required for transport, ESCRT）非依赖的外泌体通路。相关研究结果发表在Cell Research期刊上，论文标题为“RAB31 marks and controls an ESCRT-independent exosome pathway”。
针对RAB31在外泌体形成通路中的功能提出的新模型
具体而言就是，活性的RAB31驱动EGFR进入MVE形成腔内囊泡（intraluminal vesicle, ILV）和外泌体，而EGFR，也许还有其他的受体酪氨酸激酶（RTK），让RAB31发生磷酸化以驱动外泌体的形成。脂筏微结构域（lipid raft microdomain）中的Flotillin蛋白参与了由活性RAB31驱动的这种ILV形成，而RAB31与ESCRT机制无关。RAB31招募TBC1D2B来让RAB7失活，以抑制MVE与溶酶体的融合，并使外泌体得以分泌。这些发现极大地提升了人们对外泌体生物发生的认识和理解。
2.外泌体与癌症生长、复发和治疗抵抗性密切相关
2020年2月，Moran Amit等人发现口腔鳞状细胞癌（OCSCC）通过释放装有miRNA的外泌体与神经进行沟通，并与它们连接在一起。外泌体装载的miRNA 根据肿瘤的p53状态而有所不同。来自缺乏p53的肿瘤的外泌体中的miRNA与现有的感觉神经（一种不同的神经类型）相连接在一起，并且实际上将它们转变为肾上腺素能神经类型。然后，这些新的肾上腺能神经侵入肿瘤。为了证实这一发现，他们在小鼠体内诱导缺乏p53的肿瘤产生之前切断了感觉神经。肿瘤释放出来的外泌体失去了作用靶标---感觉神经，它们就缩小了。相关研究结果发表在Nature期刊上，论文标题为“Loss of p53 drives neuron reprogramming in head and neck cancer”。
图片来自Nature, 2020, doi:10.1038/d41586-020-00328-6。
2020年4月，Valya Ramakrishnan等人为了了解胶质母细胞瘤如何对放疗产生抵抗力，在放疗之前和之后收集了患者的临床肿瘤样品，并比较了miRNA的水平。他们发现虽然大多数miRNA的水平在放疗后均保持不变，但Chen的团队确定了一个很小的miRNA亚群，尤其是miR-603，在放疗后其表达水平会降低。结果导致胶质母细胞瘤细胞增加了蛋白产生，使它们对放疗变得不再敏感。重要的是，这些癌细胞将miR-603包装到外泌体等胞外囊泡中，所产生的囊泡在细胞之间进行通信。这些发现有助于开发治疗胶质母细胞瘤的新策略。相关研究结果发表在EBiomedicine期刊上，论文标题为“Radiation-induced extracellular vesicle (EV) release of miR-603 promotes IGF1-mediated stem cell state in glioblastomas”。
2020年6月，Yong Wang等人在一种新型、组织工程化的三维乳腺癌模拟系统中，发现生物机械力能明显改变乳腺癌细胞的蛋白质组学特征并能增强外泌体的产生。所产生的外泌体能够直接促进恶性肿瘤细胞的生长，并诱导肿瘤微环境中的免疫抑制反应及改变免疫细胞的极化作用。相关研究结果发表在Laboratory Investigation期刊上，论文标题为“Mechanical strain induces phenotypic changes in breast cancer cells and promotes immunosuppression in the tumor microenvironment”。
3.利用外泌体治疗癌症
2020年9月，来自中国香港大学和中国科学技术大学的研究人员报道源自Vδ2-T细胞的外泌体（下称Vδ2-T-Exos）可以有效控制爱泼斯坦-巴尔病毒（EBV）相关肿瘤，并诱导T细胞抗肿瘤免疫反应。他们发现Vδ2-T-Exos含有死亡诱导配体（FasL和TRAIL）和免疫刺激分子（CD80、CD86、MHC-I和MHC-II）。Vδ2-T-Exos通过FasL和TRAIL途径靶向并有效地杀死EBV相关肿瘤细胞，并促进EBV抗原特异性CD4 T细胞和CD8 T细胞扩增。给予Vδ2-T-Exos可有效控制免疫缺陷小鼠和人源化小鼠中的EBV相关肿瘤。针对Vδ2-T-Exos的这些突破性新发现为开发针对EBV相关肿瘤的新疗法提供了新见解。相关研究结果发表在Science Translational Medicine期刊上，论文标题为“Exosomes derived from Vδ2-T cells control Epstein-Barr virus–associated tumors and induce T cell antitumor immunity”。
2020年1月，Gaofeng Liang等人利用经过改造的外泌体共递送5-氟尿嘧啶（5-FU）和miR-21抑制剂靶向结肠癌细胞，体外和体内实验结果表明了用工程化外泌体递送5-FU和miR-21i可有效逆转结直肠癌耐药性，并显著增强化疗药物5-FU增强对耐药结直肠癌细胞的疗效。相关研究结果发表在Journal of Nanobiotechnology期刊上，论文标题为“Engineered exosomes for targeted co-delivery of miR-21 inhibitor and chemotherapeutics to reverse drug resistance in colon cancer”。
4.利用外泌体改善心血管疾病治疗
2020年10月，Ling Gao等人在因实验性心脏病发作而导致心肌受损的幼年猪中发现，利用由人诱导性多能干细胞（hiPSC）产生的心脏细胞（hiPSC-CC）天然分泌的外泌体（下称hiPSC-CC外泌体）实现的再生效益相当于注射hiPSC-CC。相关研究结果发表在Science Translational Medicine期刊上，论文标题为“Exosomes secreted by hipsC-derived cardiac cells improve recovery from myocardial infarction in swine”。他们发现接受hiPSC-CC外泌体注射的猪在左心室功能、梗死大小、壁应力、心脏肥大、细胞凋亡和血管生成方面的测量结果取得显著改善，同时并它们的心律失常频率也没有增加。此外，hiPSC-CC外泌体可促进体外培养的内皮细胞和分离的主动脉环中的血管生长，并通过减少细胞凋亡和维持细胞内钙平衡，保护体外培养的由hiPSC产生的心肌细胞免受无血清低氧培养基的细胞毒性作用。hipsC-CC外泌体还增加了细胞ATP的含量，这是有益的，原因在于细胞ATP代谢的不足被认为导致左心室肥大和心力衰竭患者心脏功能逐渐下降。
2020年7月，Yuto Nakamura等人发现将间充质干细胞（MSC）注射到患有心力衰竭的小鼠体内，可使得它们的左心室心功能得到显著改善，这与MSC产生的外泌体数量的增加有关。MSC治疗后的心脏功能可通过血液中脂联素水平的增加而得到进一步加强，而脂联素数量的增加会导致MSC产生的外泌体丰度相应增加，而这依赖于MSC中T-钙黏蛋白的表达。相关研究结果发表在Molecular Therapy期刊上，论文标题为“Adiponectin Stimulates Exosome Release to Enhance Mesenchymal Stem-Cell-Driven Therapy of Heart Failure in Mice”。
图片来自Molecular Therapy, 2020, doi:10.1016/j.ymthe.2020.06.026。
2020年8月，Samantha E. Spellicy等人发现中风损伤部位附近未经治疗的脑细胞很快因缺氧而死亡，这会触发整个大脑网络的致命损伤信号，从而可能危害数百万个健康的脑细胞，但是通过静脉注射神经干细胞（NSC）产生的分泌体（下称NSC分泌体）可导致猪在中风后完全康复。相关研究结果发表在Translational Stroke Research期刊上，论文标题为“Neural Stem Cell Extracellular Vesicles Disrupt Midline Shift Predictive Outcomes in Porcine Ischemic Stroke Model”。
5.利用外泌体抵抗微生物感染
2020年3月，Matthew D. Keller等人证实自噬蛋白ATG16L1和其他ATG蛋白通过释放外泌体上的金属蛋白酶ADAM10介导对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）产生的α-毒素的保护作用。在这一过程中，细菌DNA和CpG DNA诱导人细胞以及小鼠分泌了带有ADAM10的外泌体。所分泌的外泌体通过充当可以结合多种毒素的清除剂，在体外保护宿主细胞，并在体内提高了感染了MRSA的小鼠的存活率。相关研究结果发表在Nature期刊上，论文标题为“Decoy exosomes provide protection against bacterial toxins”。
图片来自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2066-6。
2020年9月，Xue Zou等人将携带具有广谱抗病毒活性的IFITM3蛋白的外泌体注射到怀孕小鼠的尾静脉，发现这种改造的外泌体可穿过胎盘传递IFITM3 分子，并有效抑制寨卡病毒感染，而且最为重要的是，注射三倍剂量的外泌体仍然没有在试验小鼠上观察到对母体或胚胎的毒副作用。这些发现表明利用外泌体递送IFITM3可能用于治疗妊娠期寨卡病毒感染。相关研究结果发表在Molecular Therapy期刊上，论文标题为“EVs Containing Host Restriction Factor IFITM3 Inhibited ZIKV Infection of Fetuses in Pregnant Mice through Trans-placenta Delivery”。
6.利用外泌体促进组织再生
2020年7月，Shiqi Hu等人在小鼠毛发再生模型中，研究了用二维培养的真皮乳头（dermal papillae, DP）细胞（下称2-D DP细胞）、角蛋白支架中的三维球体培养的DP细胞（下称3-D DP细胞）以及商业化的脱发治疗药物米诺地尔（Minoxidil）治疗的小鼠毛发再生的速度。在20天的试验中，用3-D DP细胞治疗的小鼠在15天时恢复了90%的毛发覆盖率。在3-D DP细胞产生的外泌体中，他们精确地确定了miR-218-5p，这是一种能够增强负责促进毛囊生长的分子途径的miRNA。他们发现，增加miR-218-5p可以促进毛囊生长，而抑制它则会使毛囊失去功能。相关研究结果发表在Science Advances期刊上，论文标题为“Dermal exosomes containing miR-218-5p promote hair regeneration by regulating β-catenin signaling”。
图片来自Science Advances, 2020, doi:10.1126/sciadv.aba1685。
2020年6月，Hongxing Hu等人在体外实验中发现人脐带间充质干细胞衍生的小细胞外囊泡（human umbilical cord mesenchymal stem cells derived small extracellular vesicle, hUC-MSCs-sEV）促进了绒毛膜细胞和人骨髓间充质干细胞（hBMSC）的迁移、增殖和分化。MiRNA芯片显示，miR-23a-3p是hUC-MSCs-sEV中含有的各种miRNA中表达量最高的。他们的数据显示，hUC-MSCs-sEV通过转移miR-23a-3p来抑制PTEN的水平和提升AKT的表达，从而促进软骨再生。此外，他们构建出具有生物相容性并表现出优异的机械性能的甲基丙烯酸明胶（Gelma）/纳米粘土（nanoclay）水凝胶（Gel-nano），用于持续释放hUC-MSCs-sEV。体内结果表明含有hUC-MSCs-sEV的Gel-nano水凝胶有效促进软骨再生。这些结果表明，含有hUC-MSCs-sEV的Gel-nano水凝胶在刺激软骨生成和愈合软骨缺陷方面具有很好的前景，同时也为了解hUC-MSCs-sEV在软骨再生中的作用和机制提供了宝贵的数据。相关研究结果发表在Journal of Extracellular Vesicles期刊上，论文标题为“miR-23a-3p-abundant small extracellular vesicles released from Gelma/nanoclay hydrogel for cartilage regeneration”。
2020年11月，Connie S. Chamberlain等人发现间充质干细胞（MSC）来源的外泌体（下称MSC外泌体）改善了大鼠内侧副韧带（MCL）功能并降低了M1 / M2巨噬细胞比例，其中M1巨噬细胞可抵抗细菌和病毒，而M2巨噬细胞则主要促进伤口愈合和组织修复。此外，在肌腱愈合模型中，MSC外泌体还能提高损伤韧带胶原蛋白表达水平、同时减少疤痕产生。相关研究结果发表在Stem Cells期刊上，论文标题为“Exosome‐educated macrophages and exosomes differentially improve ligament healing”。
7.利用外泌体检测癌症
2020年8月，Ayuko Hoshino等人报道，肿瘤释放的细胞外囊泡和颗粒（extracellular vesicle and particle, EVP）可用于在早期阶段检测多种不同类型的癌症。他们使用了来自包括乳腺癌、结肠癌和肺癌在内的18种不同癌症的样本。通过使用计算生物学方法将特定的EVP蛋白特征与某些类型的癌症相匹配，他们发现计算机可以从样本中识别出不同类型的癌症，其灵敏度为95％，特异性为90％。相关研究结果发表在Cell期刊上，论文标题为“Extracellular Vesicle and Particle Biomarkers Define Multiple Human Cancers”。
图片来自JACS, 2020, doi:10.1021/jacs.9b13960。
2020年3月，Junxiang Zhao等人在利用热泳富集和核酸适体标记实现了细胞外囊泡表面蛋白组测量和癌症分类的基础上，开发出结合纳米耀斑（nanoflare）与热泳的检测新方法，实现了0.5 μL血清样本中外泌体microRNA的高灵敏检测，检出限低至0.36 fM，接近qRT-PCR。纳米耀斑通过被动输运进入外泌体后，可以特异性识别靶标microRNA并产生荧光信号。外泌体在热泳作用下快速汇聚，有效放大其中纳米耀斑产生的荧光信号，提高外泌体microRNA的检测灵敏度。相关研究结果发表在JACS期刊上，论文标题为“Thermophoretic Detection of Exosomal microRNAs by Nanoflares”。
8.结语
人们当前对包括外泌体在内的胞外囊泡生理学、多样性、内化和分子货物运送的了解仍然非常有限，因而无法准确地针对胞外囊泡如何与受者细胞相互作用并对它们进行修饰的机制得出结论。为了让胞外囊泡领域取得进展，有必要以综合的方式进行研究，包括分子、细胞和功能表征，从而尽可能地比较一种给定实验系统中的不同胞外囊泡亚型。这些方法对于确定哪些分子或机制对某些胞外囊泡亚型是特异性的，哪些是适用于所有胞外囊泡亚型的至关重要。
不同细胞生成外泌体的速率有所差别，外泌体的大小和组分存在高度的异质性，但其中组分与来源细胞有密切关系。目前对外泌体形成的动力学，外泌体组分调控机制，外泌体标志物等方面的认识还比较局限，相关研究还有待继续深入开展。（生物谷 Bioon.com）
参考文献：
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2.Denghui Wei et al. RAB31 marks and controls an ESCRT-independent exosome pathway. Cell Research, 2020, doi:10.1038/s41422-020-00409-1.
3.Ling Gao et al. Exosomes secreted by hipsC-derived cardiac cells improve recovery from myocardial infarction in swine. Science Translational Medicine, 2020, doi:10.1126/scitranslmed.aay1318.
4.Yuto Nakamura et al. Adiponectin Stimulates Exosome Release to Enhance Mesenchymal Stem-Cell-Driven Therapy of Heart Failure in Mice. Molecular Therapy, 2020, doi:10.1016/j.ymthe.2020.06.026.
5.Samantha E. Spellicy et al. Neural Stem Cell Extracellular Vesicles Disrupt Midline Shift Predictive Outcomes in Porcine Ischemic Stroke Model. Translational Stroke Research, 2020, doi: 10.1007/s12975-019-00753-4.
6.Xiwei Wang et al. Exosomes derived from Vδ2-T cells control Epstein-Barr virus–associated tumors and induce T cell antitumor immunity. Science Translational Medicine, 2020, doi:10.1126/scitranslmed.aaz3426.
7.Moran Amit et al. Loss of p53 drives neuron reprogramming in head and neck cancer. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-1996-3.
8.Valya Ramakrishnan et al. Radiation-induced extracellular vesicle (EV) release of miR-603 promotes IGF1-mediated stem cell state in glioblastomas. EBioMedicine, 2020, doi:10.1016/j.ebiom.2020.102736.
9.Yong Wang et al. Mechanical strain induces phenotypic changes in breast cancer cells and promotes immunosuppression in the tumor microenvironment. Laboratory Investigation, 2020, doi:10.1038/s41374-020-0452-1.
10.Gaofeng Liang et al. Engineered exosomes for targeted co-delivery of miR-21 inhibitor and chemotherapeutics to reverse drug resistance in colon cancer. Journal of Nanobiotechnology, 2020, doi:10.1186/s12951-019-0563-2.
11.Matthew D. Keller et al. Decoy exosomes provide protection against bacterial toxins. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2066-6.
12.Xue Zou et al. EVs Containing Host Restriction Factor IFITM3 Inhibited ZIKV Infection of Fetuses in Pregnant Mice through Trans-placenta Delivery. Molecular Therapy, 2020, doi: 10.1016/j.ymthe.2020.09.026.
13.Ayuko Hoshino et al. Extracellular Vesicle and Particle Biomarkers Define Multiple Human Cancers. Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.07.009.
14.Junxiang Zhao et al. Thermophoretic Detection of Exosomal microRNAs by Nanoflares. JACS, 2020, doi:10.1021/jacs.9b13960.
15.Hongxing Hu et al. miR-23a-3p-abundant small extracellular vesicles released from Gelma/nanoclay hydrogel for cartilage regeneration. Journal of Extracellular Vesicles, 2020, doi:10.1080/20013078.2020.1778883.
16.Connie S. Chamberlain et al. Exosome‐educated macrophages and exosomes differentially improve ligament healing. Stem Cells, 2020, doi:10.1002/stem.3291.
17.Raghu Kalluri et al. The biology, function, and biomedical applications of exosomes. Science, 2020, doi:10.1126/science.aau6977.
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