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外泌体功能及在生物医学方面的应用

液体活检三大标志物之一的外泌体(exosomes),近几年研究热度持续攀升。有关外泌体载药、诊断、免疫疗法等方向的文章陆续发表在Science、Nature等各大顶级期刊上,外泌体已成为生命科学/基础医学研究的一大热点。

外泌体( exosomes) 是一类由细胞分泌到胞外的囊泡,随着研究的深入,人们发现包括血细胞、免疫细胞、癌细胞、干细胞等在内的几乎所有细胞都可以产生外泌体,所产生的外泌体不仅存在于细胞培养液中,也存在于血液、尿液、母乳、唾液、胸腔积液等体液中。近年来,随着人们对外泌体的深入了解,外泌体的多种生物功能先后被发现。如今外泌体作为一种细胞间交流、传递大量的生物功能分子的重要方式日益受到重视。

外泌体的功能

外泌体可能作为细胞之间物质和信号通讯的途径,不同的细胞通过分泌携带不同组分的外泌体实现细胞间通讯,这些外泌体被受体细胞吸收,通过物质交换或释放内含物实现物质和信号的交流。

外泌体与受体细胞的信息交流可能通过以下 4 种途径实现:

  1. 外泌体表面膜蛋白质被目的细胞表面的受体识别,从而激活靶细胞;

  2. 外泌体在蛋白酶作用下产生的表面膜蛋白质碎片可作为目的细胞表面受体的配体;

  3. 外泌体脂膜可以与目的细胞膜融合,将蛋白质和 RNA 等内容物释放进去,此类膜融合可能改变靶细胞的一些膜特性,例如脂质和膜蛋白质的密度及种类;

  4. 目的细胞通过胞吞的形式摄入外泌体

外泌体功能及在生物医学方面的应用

经由以上几种途径,外泌体将其携带的生物信息运输到周边靶细胞或经血液等体液运输而被远处 组织细胞摄取,进而影响目的细胞的基本功能和基因表达。几乎所有的细胞都可以在自发或在一定刺激条件下产生外泌体,不同的细胞产生的外泌体具有不同的功能,这些外泌体参与了一系列生理和病理过程,如癌症发生与发展、抗原呈递、免疫调节、组织愈合等。

此外,外泌体与疾病的研究表明:

  1. 外泌体可能在代谢性疾病的出现以及心血管健康中发挥作用。

  2. 外泌体生物发生和神经元细胞中分泌小泡的调节之间的交集为外泌体和神经退行性疾病的发病机制之间假定的联系提供了新的见解。

  3. 与研究外泌体在其他疾病中的作用相比,外泌体在癌症中的研究进展迅速,而且外泌体与癌症的几个主要特征有关。外泌体影响肿瘤、肿瘤生长和转移、副肿瘤综合征和治疗耐药性。外泌体在癌症进展中的作用可能是动态的,并且与癌症的类型、遗传学和分期有关。

外泌体的应用

No.1

外泌体用于癌症免疫治疗

基于免疫细胞来源的外泌体能够介导和调节机体对肿瘤的免疫反应,外泌体在肿瘤免疫治疗方面的潜力受到广泛关注。其中树枝状细胞产生的外泌体包含大量的 MHC-多肽复合物和免疫刺激相关的分子,能够激活相关的 T 细胞,介导体内抗肿瘤应答,在多个临床试验中表现出良好的抗肿瘤疗效。

有研究者考察了树枝状细胞外泌体对非小细胞肺癌患者的疗效。结果表明,患者对树枝状细胞外泌体耐受性良好,1 /3 患者表现出了对树枝状细胞外泌体的 T 细胞响应,2 /4 患者自然杀伤细胞活性得以激活。

另有研究者公布了利用自体树突状细胞外泌体免疫治疗转移性黑色素瘤的临床一期试验结果,发现自体树突状细胞外泌体无明显毒性,并且具有刺激自然杀伤细胞的能力。以上临床试验证明了外泌体免疫疗法的安全性和可行性,为进一步临床研究奠定了基础。

No.2

外泌体作为药物载体

由于特殊的结构和循环方式,外泌体作为药物运输的载体具有独特的优势。例如外泌体的尺寸分布能够增强渗透滞留效应,从而有选择性地深入肿瘤组织; 其外层磷脂双分子层可以保护内容物不受各种生物酶的影响,维持各种生物分子的活性; 外泌体普遍存在于各种体液和组织中,其体积小,结构、组成与细胞膜类似,导致外泌体可以在避开免疫系统监督的同时深入组织内部,有较好的生物相容性;当采用内源外泌体时,能明显降低其他药物载体可能引起的有害免疫反应; 除此之外,某些细胞来源或经特殊修饰过的外泌体具有良好的特异性,可以与特定的器官或组织结合。因此,载药成为外泌体研究的一个重要分支,具有良好的应用前景。

在外泌体中引入药物的方式包括体内装载和体外装载两种。体内药物装载可以通过传统方法( 如病毒转染、脂质体转染或电穿孔等) 转染来源细胞,编码感兴趣的 RNA 或蛋白质,也可以使药物与来源细胞共混,使细胞分泌产生含有目标生物分子的外泌体。体外药物装载则首先需要得到纯化的外泌体,然后将感兴趣的药物通过电穿孔或脂质体转染等方法装入纯化的外泌体。外泌体内可装载的药物包括小分子化学药物、蛋白质和多肽、核酸药物、天然产物等。

No.3

外泌体的抑制作用

外泌体水平升高通常与不同类型的癌症恶化相关,一些研究人员希望能通过降低肿瘤外泌体到正常水平来防止不良预后。从这个角度出发,许多正在进行的研究旨在通过调节外泌体生成分泌的过程或通过特异性靶向其成分抑制其与靶细胞的相互作用来调节外泌体的产生。

如今我们对外泌体机制和不同生理和病理条件下的功能的理解呈指数级增长,虽然目前其生物学功能还未完全解析清楚,但研究者们在许多领域均已对其进行了深入探索。外泌体不是废物颗粒,而是细胞间通讯的关键介质,作为宿主细胞的卫星,外泌体包含大量的生物信息,其功能超出了最初的预期,宿主细胞控制着外泌体的内容物,从而改变了自己或其他细胞的命运。其次,外泌体对肿瘤的进展和转移有着强烈的影响,可以通过外泌体预测转移的部位并建立转移前的生态位。

参考文献:

[1]高方园,焦丰龙,张养军,秦伟捷,钱小红.外泌体分离技术及其临床应用研究进展[J].色谱,2019,37(10):1071-1083.

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