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基因和药物递送的新型生物载体—外泌体

基因和药物递送的新型生物载体—外泌体

前言

外泌体堪称一位 “亦正亦邪”的“多面手”,疾病的发生发展离不开它,免疫作用离不开它,疫苗也可以用到它,疾病诊断有时也需要它,并且更多外泌体做的“坏事”和“好事”还在被不断发现,更多外泌体的作用也在不断被发掘。最近的研究表明了外泌体作为无细胞治疗的潜在用途,这可能为解决临床中的疑难问题提供新的策略。 

外泌体(exosome)是由细胞内多泡体(multivesicular body,MVB) 与细胞膜融合后,释放到细胞外基质中的膜性囊泡,可以运输丰富的蛋白质、脂质、DNA和RNA等物质。越来越多的研究表明,外泌体在细胞间远距离通讯中起着至关重要的作用,因为它们可以通过循环系统到达其他细胞与组织,产生远程调控作用。因此,人们对外泌体的功能及其作为小分子治疗载体的潜在应用产生了极大的兴趣。这篇文章讨论了外泌体作为“天然纳米粒”用于递送药物和基因的潜力,并比较了它们与其他递送机制的优缺点。

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图1. 文章概况

From:Exosomes as novel bio-carriersfor gene and drug delivery

外泌体是磷脂双层囊泡,可以由大多数的细胞产生,包括B细胞、T细胞、树突状细胞(DC)、巨噬细胞、神经元、胶质细胞、大多数肿瘤细胞系和干细胞等。外泌体的粒径在40到120纳米之间。作为胞外小泡的一种,当多泡体与质膜融合时,外泌体被分泌到细胞外(图2)。最近,越来越多的证据表明,在生物体内遗传物质转移的自然途径中,外泌体可以在细胞之间传递丰富的物质。外泌体输送到受体细胞是介导细胞行为变化的关键步骤。此外,它们在细胞间通讯中也发挥着重要作用。由于这些特性,外泌体被用作药物和基因递送的载体

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图2:胞外小泡分泌过程

From:Exosomes as novel bio-carriersfor gene and drug delivery

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外泌体:细胞间的转运体

 

最早外泌体被认为是细胞的“垃圾袋”,让细胞摆脱一些无用蛋白,但近数年研究中发现,外泌体所携带的的“货物”具有重要的生物学意义。外泌体具有多种生物学功能,包括 T 细胞的抗原呈递和细胞因子转运。在免疫中,外泌体负责抗原呈递和相应的免疫反应的刺激或抑制。有几项研究已经验证了外泌体在免疫系统、神经系统和癌症中重要的生物学作用。最近的研究主要集中在来源于多能干细胞和肿瘤细胞的外泌体上。在异位和原位肝细胞癌(HCC)模型中,发现肿瘤细胞衍生的外泌体可以显著抑制肿瘤生长。因为HCC衍生的外泌体携带HCC抗原,它们可以触发DC介导的免疫反应。

 

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泌体作为载体的优势

 

为了实现药物或基因传递,重要的是考虑所使用的载体的类型。外泌体载体综合了基于细胞的药物递送和纳米技术的优势,以实现有效的药物转运。与细胞疗法相比,外泌体更容易储存,并且可以降低安全风险。可以从患者体液或细胞培养物中分离出外泌体,经修饰后转移回同一患者体内。第一个外泌体I期试验表明了大规模外泌体生产的可行性和外泌体给药的安全性。此外,运输功能性siRNA和miRNA以及蛋白质的外泌体还可能对许多疾病具有治疗前景。基于外泌体的药物递送还展现了优于传统药物递送系统的几个优点;例如,外泌体在血液中表现出更高的稳定性,使它们能够在生理和病理条件下在体内进行长距离传递。此外,外泌体具有亲水性核心,这使得它们适合容纳可溶性药物。由于外泌体是纳米级的并携带细胞表面分子,因此它们具有克服各种生物屏障的能力,并且具有天然的靶向能力。此外,与脂质体和基于病毒的药物递送系统相比,外泌体的免疫原性非常低。外泌体起着药物传递载体的作用越来越多的研究表明,药物外泌体是治疗许多人类疾病的一种有前途的方法。目前,最大的障碍是克服关于如何开发基于外泌体的药物制剂。在下文里,我们讨论几种外泌体装载药物的方法。

(1)孵化

将药物与外泌体结合的最简单方法可能是共孵育。将PTX与MSC一起孵育产生了负载 PTX 的外泌体,这些外泌体表现出显着的抗肿瘤作用。

(2)电穿孔

电穿孔涉及使用短的高压脉冲穿透外泌体膜。在1000 kV 电压下电穿孔药物和外泌体的混合物5毫秒,成功地将药物装载到外泌体中。然而,这会加剧外泌体聚集的可能性。所以有必要确保外泌体均匀分散,以保证其在体内的功能,并增强其在储存期间的稳定性。

(3)超声

处理药物-外泌体混合物通过超声处理可以有效地将药物装载到外泌体中(图3)。考虑到大小、Zeta电位和载药量,超声处理后外泌体膜的结构和含量没有显著变化。此外,药物外泌体制剂在各种条件下保持了一个多月的稳定性。与其他纳米颗粒相比,载药的外泌体被大量吸收。它们还可以克服P-糖蛋白(P-gp)介导的药物外流,从而提高耐药肿瘤的治疗效果。

 

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图3:PTX外泌体制剂的表征

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外泌体的摄取和潜在靶向能力

 

外泌体起源于晚期内吞室,可扩散到细胞间液中。外泌体可以通过与靶细胞的快速融合或受体介导的内吞作用运送物质。到达特定受体细胞后,外泌体表面分子与膜受体结合,包括细胞间粘附分子,淋巴细胞功能相关抗原1和TIM1(TIM4)。最后,外泌体中的内容物被释放到细胞质中,导致受体细胞的细胞内室发生变化。分泌的外泌体可能通过三种潜在机制被靶细胞吸收(图4)

(1)通过细胞膜的简单融合

(2)内吞作用

(3)通过特定表面配体激活靶细胞。外泌体中的一些蛋白质成分可能有助于形成保护性外壳以及稳定的囊泡结构,并可能携带靶向信息。

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图4:靶细胞摄取外泌体的机制

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外泌体作为载体的挑战

 

在临床应用中探索外泌体的一个关键问题是,对于获得高产量纯外泌体的最佳方法缺乏共识。这主要是由于哺乳动物细胞释放的外泌体数量相对较低。此外,外泌体的纯化很麻烦。有几种方法可以从细胞培养上清液或生物液体(如牛奶、尿液、血浆、羊水、唾液和脑脊液)中分离外泌体(见表1)。而这些方法各有优缺点。

 

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表1:优缺点汇总
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为了获得高产量的纯外泌体,第一个途径是扩展外泌体的来源。除此之外,还努力将细胞和纳米载体的特性结合起来。此外,能够增强装载各种货物的能力和靶向能力,而又不破坏外泌体是非常重要的。因此,许多研究人员致力于开发合适的方法来修饰外泌体以装载药物或基因

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结论和未来展望
 

外泌体作为一个新型的研究热点,由于它在体内分布的广泛性和获取的便捷性,已经成为疾病诊断治疗的潜在有效方式,在精准医疗上有着光明的前景。尽管利用外泌体作为治疗药物或基因的载体仍处于起步阶段,但相信随着外泌体研究工作的深入开展及研究手段的不断更新,外泌体介导的治疗可能最终在大分子药物或基因传递领域有重大进展。

 

参考文献:

(1)     Jiang, Xin-Chi, and Jian-Qing Gao. “Exosomes as novel bio-carriers for gene and drug delivery.” International journal of pharmaceuticsvol. 521,1-2 (2017): 167-175. doi:10.1016/j.ijpharm.2017.02.038

(2)     van Dommelen, Susan M et al. “Microvesicles and exosomes: opportunities for cell-derived membranevesicles in drug delivery.” Journal of controlled release : official journal of the ControlledRelease Society vol. 161,2 (2012): 635-44. doi:10.1016/j.jconrel.2011.11.021

(3)     Zhang, Zheng Gang, and Michael Chopp. “Exosomes in stroke pathogenesis and therapy.” The Journal of clinical investigationvol. 126,4 (2016): 1190-7. doi:10.1172/JCI81133

(4)     Kim, Myung Soo et al. “Development of exosome-encapsulated paclitaxel to overcome MDR incancer cells.” Nanomedicine : nanotechnology, biology, and medicine vol. 12,3(2016): 655-664. doi:10.1016/j.nano.2015.10.012

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