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外泌体的应用——有机遇,也有挑战

来源:项耀祖 2018-12-27 09:18

 

外泌体作为疾病诊断标志物的潜在应用依赖于基于外泌体的药物递送系统的技术突破,要将其用于临床治疗,外泌体的大规模工业化生产面临很大的挑战。

外泌体(exosome)是细胞分泌囊泡(extracellular vesicles)的一种亚型,存在于生物体液中,并参与多种生理和病理过程。外泌体被认为是细胞间通信的一种新机制,允许细胞交换蛋白质、脂质和遗传物质。过去,细胞分泌的外泌体一度被认为只是参与废物排泄;现在,随着高通量蛋白质组学和基因组学的发展,外泌体被广泛认为是生物体内细胞间短距离和长距离交流的高度保守的途径,这种细胞间通信对于正常细胞和肿瘤细胞都是非常重要的。

所有真核细胞类型包括造血细胞、上皮细胞、神经细胞、干细胞、脂肪细胞和癌症细胞均可在培养条件下分泌外泌体。体内所有体液,包括血液、唾液、脑脊液、腹水,甚至尿液中都可以分离得到外泌体。这些外泌体传输多种信号分子,包括蛋白质、信使核糖核酸(mRNA)和非编码核糖核酸(RNA),其携带的分子可以被其他细胞吸收。因此,外泌体可以将生物信息转移到相邻细胞。这种细胞间通信不仅涉及生理功能,还涉及一些疾病的发病机理,包括肿瘤、心血管疾病和神经退行性疾病等。

目前,在各种健康与疾病模型中都发现,外泌体通过分子信息传递扮演着重要的角色。外泌体还越来越多地被认为是疾病的生物标志物和预后因子,具有重要的临床诊断和治疗意义。除此之外,它们还有潜力被用于临床,作为基因和药物递送的载体

疾病早期诊断和预后

健康人和多种疾病的患者会将含有不同RNA和蛋白质成分的外泌体释放到体液循环中,因其特殊性,外泌体可以作为生物标志物来对疾病进行检测。例如,从血液或尿液中分离的外泌体可以用作癌症、中枢神经系统疾病、心脏病的诊断和预后的指标。

目前,肿瘤的早期诊断受限于发现时间太晚以及诊断过程的烦琐、费用昂贵。因此,在人体体液内寻找和检测肿瘤细胞分泌的外泌体可能会是一种新颖的、无创的、高度可靠的诊断方式。例如,有研究报道,通过对患者血液中的外泌体进行分析,肺癌和胰腺癌的早期诊断率分别已经能够达到75%和90%。肿瘤细胞来源的外泌体特异性蛋白质或小分子RNA(miRNA)标志物可以作为肿瘤诊断检测的高特异性指标,并且用于指示肿瘤的发展情况和侵袭程度。

2016年1月,全球首个基于外泌体的癌症诊断产品在美国上市。由Exosome Diagnostics公司推出的这一液体活检产品标志着新兴的外泌体生物学向成熟迈进了一步。其他致力于外泌体诊断或治疗应用的公司还包括Codiak BioSciences公司、Exosome Sciences公司、Exovita Biosciences公司、CliniCan Health Research公司、CARIS LIFE SCIENCES公司和ExoCoBio公司等。虽然关于外泌体生物学的基本问题仍有很多悬而未决,但高通量诊断方面的应用开发已在不断向前推进。

除了肿瘤,外泌体在其他疾病如心血管疾病等的诊断和治疗的相关临床试验也在世界范围内开展中。

外泌体新型治疗剂

肿瘤转移是一个包括癌细胞侵入、血管中存活、宿主器官附着和殖民化等多步骤的复杂过程。外泌体能够影响这个级联反应的每一步,因此可作为肿瘤治疗的靶点。肿瘤细胞在转移到其他组织时需要在间质细胞间移动并到达血管中,在这个过程中,肿瘤细胞外泌体通过纤维连接蛋白促进肿瘤细胞的运动性,再通过蛋白酶促进细胞外基质的分解、血管生成,进而促进肿瘤转移。

多数肿瘤细胞对转移的组织具有指向性,而外泌体表面的整合素就是决定其指向性的因子,如外泌体αvβ5整合素决定了对肝脏的指向性,而外泌体α6β4?α6β1整合素决定了对肺部的指向性。

此外,恶性肿瘤细胞往往能够通过分泌大量外泌体抑制宿主固有免疫。对外泌体的质谱研究发现,恶性肿瘤细胞的外泌体含有大量活化型的表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR),可以抑制宿主细胞α型干扰素(IFN-α)的产生。这就解释了为什么部分肿瘤患者固有免疫低下,也为晚期癌症患者的治疗提供一个新的策略和理论依据。

外泌体在心脏修复中同样起着关键作用。外泌体通过内含的miRNA直接调控基因表达,将信息传递给靶细胞。尽管干细胞移植治疗是一种很有前景的修复损伤心脏组织并使其再生的辅助手段,但由于缺血心脏中移植细胞的存活状况不佳,一般仅能观察到心脏功能的轻度改善。最近的研究表明,干细胞释放的外泌体可以作为心脏修复潜在的无细胞治疗剂。

干细胞分泌的外泌体相比干细胞有如下优点:(1)旁分泌效应,外泌体作为干细胞旁分泌作用的一种媒介;(2)组合起效,外泌体可与现有的组合物或方法进行组合;(3)个性化,外泌体可改造特定活性成分;(4)靶向特异性,外泌体被工程化改造后,具有靶向特定细胞类型或组织的功能;(5)安全性高,外泌体治疗属于无细胞疗法。

事实上,动物实验表明:在小鼠急性心肌梗塞术后,注射来源于间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)、心脏祖细胞(cardiac progenitor cells,CPCs)、胚胎干细胞(Embryonic stem cell,ESC)或心肌源性细胞(Cardiosphere-derived cells,CDCs)的外泌体均可改善心脏功能,减轻心脏纤维化,刺激血管生成。例如,心源性细胞外泌体(CDCexo)能通过特异性的巨噬细胞极化为急性心肌梗死提供心脏保护作用。

心脏再灌注后,CDCexo的输注降低了大鼠和猪心肌梗死模型的梗死面积,而且CDCexo会减少梗死组织内CD68+巨噬细胞数量,并改变巨噬细胞的极化状态。自体CD34+干细胞的移植可以改善缺血组织再灌注后的功能,并降低严重肢体缺血患者的截肢率。其作用机制在于:CD34+干细胞分泌的外泌体(CD34Exo)促进小鼠下肢缺血模型血管生成。

虽然临床前研究的证据表明干细胞释放的外泌体可以作为心肌修复的潜在无细胞治疗剂,但是,目前将外泌体完全用作心脏修复治疗剂之前还是有很多核心问题需要解决。

外泌体作为药物治疗的递送系统

外泌体本身的惰性相当高,但它们与细胞膜融合可将所携带的物质和信号传递到受体细胞并改变其生物学功能,因此,外泌体是纳米药物递送或基因治疗的潜在载体。外泌体作为功能性小RNA和蛋白质的天然载体也引起了药物递送领域的极大兴趣,因为它可以利用这些囊泡治疗性递送各种核糖核酸分子、肽和合成药物。

虽然系统递送的外泌体主要在肝脏、肾脏和脾脏中积累,但通过在外泌体的外表面上展示特定的靶向分子。例如,识别靶抗原的肽或抗体片段,可以获得靶向外泌体;通过在细胞分泌囊泡上展示糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚定的纳米抗体,可以使细胞分泌囊泡显示多种蛋白,包括抗体、荧光蛋白和信号分子。自然分泌的外泌体分离纯化直接作为药物的潜力有限,但是,将自然的外泌体分泌所需组分掺入合成脂质体或纳米颗粒中,并且使用可控程序组装后的工程化外泌体模拟物在药学上拥有更大的应用潜力。

外泌体作为疾病诊断标志物的潜在应用依赖于基于外泌体的药物递送系统的技术突破,要将其用于临床治疗,外泌体的大规模工业化生产还面临很大的挑战。首先,对外泌体的具体合成机制、功能了解并不是非常详细。其次,现在缺乏经济有效的外泌体分离技术。然而,虽然当前外泌体生物学仍然不成熟,但越来越多的兴趣和资金投入必将加速外泌体基础研究进展和临床转化。(生物谷Bioon.com)

 

 

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