间充质干细胞、免疫细胞、外泌体源头供货

94分Nature子刊综述:研究细胞外囊泡介导细胞间通讯的挑战和方向

细胞外囊泡(EVs)越来越被认为是细胞间通讯的重要介质。它们在许多生理和病理过程中发挥着重要作用,并显示出作为疾病的新型生物标志物、治疗剂和药物递送载体的巨大潜力。然而,有趣的是,对控制EVs功能的细胞和分子机制的理解仍远非全面,至少部分原因是分析这些小囊泡时存在技术挑战。近日Nature Reviews Molecular Cell Biology杂志发表一篇综述,重点阐述了我们对EV的细胞内和细胞间旅程的理解中的共识和有争议的问题:从生物发生、细胞外空间的释放和动力学,到与受体细胞的相互作用和摄取。该综述指出了当前的知识差距、关键问题和挑战,并就如何解决这些问题提出建议

94分Nature子刊综述:研究细胞外囊泡介导细胞间通讯的挑战和方向

细胞外囊泡(EV)是细胞释放到细胞外空间的膜包被的纳米颗粒。尽管它们存在的证据已经记录了80多年,但直到最近几十年,它们的生成途径、功能和潜在应用才开始出现。近年来,与EV相关的文献数量呈指数级增长,我们对EV生物学的理解也有了不可估量的增长。现在已知它们具有许多生物学功能,并与多种病理有关。EV还具有作为生物标志物、治疗剂和治疗分子载体的巨大潜力。现在有广泛的共识,即EV是发生在多细胞生物体中的细胞间信号网络的一部分。然而,尽管对于通过EV进行细胞间通信的机制存在许多共识,但与任何快速发展的领域一样,仍然存在一些挑战和分歧领域。

该综述概述了被广泛认同的EV生物学方面,突出了最有争议的领域,并提出特别需要进一步研究的领域。该综述目的不是对文献进行全面评估,并且通篇使用的参考文献仅作为示例。为了为这项工作提供一个框架,作者描述了EV的“旅程”:从生物发生和从供体细胞释放到它们在受体细胞中的吸收和使用/功能。

EV的生物发生的研究相对较多,但仍有许多细节有待阐明,特别是如何利用EV产生的不同机制来产生异质的囊泡亚群

EV摄取的方式也得到了相对较好的探索,许多不同的途径涉及囊泡的大量内化。目前最大的未知数是EV如何穿越供体和受体细胞之间的物理间隙的细节,以及一旦内化,EV的货物如何以能够发挥功能的方式传递利用。此外,需要强调的是,生物货物的水平转移不应总是被视为EV分泌的主要功能,也应考虑EV其他功能(包括受体细胞表面的信号传导、营养支持、过时细胞材料的清除和间质液或细胞外基质的调节),但这些仍然相对缺乏研究。

我们知识上的这些差距主要是由于与EV相关的许多挑战。该领域面临着研究这些信使的工具和模型的不足,因为它们通常是纳米级的尺寸,对EV种群的异质性知之甚少,以及每个囊泡的货物分子拷贝数低,所有这些都给它们的分离和分析带来了相当大的挑战。与其他新兴领域一样,我们也面临着关于数据的解释、可变性和报告的健康辩论,甚至在用于描述EV的命名法和定义上也存在分歧。作者建议该领域应该更全面地了解EV的旅程,希望最终能激发我们的集体努力来实现这一目标。

94分Nature子刊综述:研究细胞外囊泡介导细胞间通讯的挑战和方向

EV生物发生和细胞外空间中传播示意图

Box 1 EV biogenesis: keyquestions and challenges

EV生物发生的关键问题和挑战

1.     在细胞外囊泡(EV)生物发生的研究中,我们如何考虑细胞的整体复杂性,包括细胞内运输和细胞代谢的调节?

2.     由于EV的生物发生也依赖于体内与邻近细胞和基质的相互作用,“EV分泌组”在多大程度上取决于环境线索?

3.     具有不同功能的不同外泌体亚群是否与多泡内体(MVE)亚群相关?

4.     MVE的亚群转变为分泌细胞器的过程是什么?

5.     化学参数(例如细胞周围的pH值、活性氧浓度和渗透压)以及组织的物理约束(例如由于细胞密度或细胞外基质硬化引起的机械压力)如何影响腔内囊泡的生成和分泌以及质膜萌芽?

6.     体外描述的过程与体内相关吗?

7.     从更实际的角度来看,当旨在干扰EV生物发生时,我们如何考虑EV亚群生物发生的复杂性和多样性以及EV货物的细胞类型、培养条件和表达水平?例如,一个给定的途径,例如神经酰胺的产生,可能会抑制一种亚型的外泌体分泌,但不会抑制其他亚型的分泌,同时影响细胞中的其他调节过程。此外,如果特定过程的抑制或损害会影响MVE的生物发生,鉴于并非所有的MVE都是分泌的,因此需要新的方法来清楚地区分给定过程在外泌体分泌过程中重要性的相关性和因果关系。

下表:迄今为止表征的细胞外囊泡/颗粒的亚型

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Box 2The dynamics of EVs in extracellular space: key questions and challenges

细胞外空间中EV的动态:关键问题和挑战

1.     细胞外囊泡(EV)和细胞外基质之间的相互关系是什么?

2.     是否所有EV都能够穿过所有基底膜,如果不能,是否存在组织/亚群特异性?

3.     鉴于细胞外基质在维持正常组织功能中的重要性,机械力和局部基质成分如何影响EV-细胞外基质相互作用?

4.     细胞外基质的组成在多大程度上调节了EV的组成和功能?

5.     哪些类型的EV与细胞外基质相互作用,特定亚群释放到细胞外基质中是否直接取决于质膜-基质相互作用和相关的机械力?

6.     EV是否具有允许它们在细胞外抵抗降解并避免与非靶细胞、基质成分和其他间质因子发生不良相互作用的成分/特性?

7.     EV的生物物理特性(例如,它们的大小和可压缩性)在穿越复杂的细胞外微环境时有多重要?

8.     在穿过细胞外基质后,EV或至少其中的一个亚群似乎具有跨越多个生物屏障的能力。这种能力是否受到特定病理情况的影响(例如,血管通透性的增加)?

9.     特定细胞类型是否更有效地与EV相互作用?这种相互作用在不同的EV亚群之间是否存在差异?

10.  我们对体内EV命运的大部分理解来自使用外源性EV的研究。然而,EV的分离、储存、配制方法和标签可能会影响它们的靶向特异性和最终命运。因此,使用外源性EV获得的结果是否代表了内源性EV的生理命运?

11.  多种方法已被用于评估EV在体内的生物分布,包括脂质和蛋白质的荧光标记、免疫荧光、生物发光、PET、SPECT、MRI和CT成像。所有这些方法在跟踪EV的命运方面都有局限性,需要具有大动态范围的时间和空间分辨率的新方法来克服这些问题。

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EVs在细胞外空间的动力学导致它们在受体细胞中的摄取和功能

Box 3Uptake and functional delivery of EV cargo: key questions and challenges

EV货物的吸收和功能性递送:关键问题和挑战

1.  哪些细胞外囊泡(EV)相关因子对于决定功能(由信号诱导和/或细胞进入定义)至关重要?

2.     我们能否定义控制EV靶向的规则,我们能否在未来使用基于EV的药物的转化研究中操纵这些知识?

3.     天然EV成分多大程度上控制的表面蛋白质的性质,以及表面蛋白质在确定与受体细胞或整个系统的相互作用方面有多重要?

4.     我们如何克服小型EV尺寸和货物稀缺的技术挑战,从而对原生EV在体内的货物功能传递的直接成像提出问题?

5.     不同的EV亚群在受体细胞中的处理方式是否不同,它们是否发挥不同的细胞功能?这种异质性可以通过单独研究EV亚群来解决,还是以协同方式合作?

6.     我们如何提供直接证据证明观察到的生理效应是真正由EV介导的,如果是这样,哪些EV货物负责?在这方面,一个被忽视的方面是EV与其他通讯方式(如细胞间接触、纳米管或细胞因子或细胞外RNA等可溶性因子)相比的相对贡献。

7.     当试图剖析EV在引导来自其他分泌组成分的细胞通讯方面的相对效力时,不同的非囊泡分泌因子(如细胞外基质蛋白和细胞因子)与EV合作在决定最终和复杂细胞反应中的重要性?

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研究EV生物学的关键问题和挑战

在过去的二十年里,EV领域取得了巨大的飞跃。从高质量文献的增加和适合研究这些小信使的技术的发展中可以看出这一点。对体内EV运输机制的了解滞后,是作者建议需要更多关注的领域。实现这一目标将需要资助机构的进一步投资以及开发更多工具和体内模型来研究EV。作者特别鼓励来自不同学科的研究人员进行互动,包括基础细胞生物学家、临床医生、技术专家以及计算机科学家,因为真正的跨学科交叉可以促进特定领域的飞跃。毫无疑问,这个令人兴奋的领域正在迅速发展,这将继续影响我们对多细胞生物如何被调控的基本理解。

参考文献:

vanNiel G, Carter DRF, Clayton A, Lambert DW, Raposo G, Vader P. Challenges anddirections in studying cell-cell communication by extracellular vesicles. NatRev Mol Cell Biol. 2022 Mar 8. doi: 10.1038/s41580-022-00460-3.Epub ahead of print. PMID: 35260831.

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