【文献精选--文献精读】

The biology, function, and biomedical applications of exosomes

细胞外囊泡 (EV) 的研究有可能确定细胞间通讯以及器官稳态和疾病中未知的细胞和分子机制。平均直径约为 100 纳米的外泌体是 EV 的一个子集。外泌体的生物发生涉及它们起源——核内体，随后与其他细胞内囊泡和细胞器的相互作用产生外泌体的最终内容物。它们的多种成分包括核酸、蛋白质、脂质、氨基酸和代谢物，这些可以反映它们的细胞来源。外泌体为细胞或组织状态的改变提供了一个窗口，在生物体液中检测外泌体可能提供多组分诊断读数。细胞成分通过外泌体的有效交换可以告知它们在设计基于外泌体的治疗方法中的应用。

外泌体在人体内具有多效性功能的细胞间转运系统。外泌体是由所有细胞产生的细胞外囊泡，它们携带核酸、蛋白质、脂质和代谢物。它们是健康和疾病中近距离和远距离细胞间通讯的介质，影响细胞生物学的各个方面。

外泌体的研究是一个活跃的研究领域。持续的技术和实验进展可能会产生关于它们的异质性和生物学功能的宝贵信息，并增强我们利用其治疗和诊断潜力的能力。

EV 作为液体活检的用途特别有前途，因为它们存在于所有生物体液中并且具有进行多组分分析的潜力。尽管 EV 的分类在不断发展，但它们通常分为两大类，即胞外体和外泌体（图 1)。

图1：胞外体和外泌体的特性和异质性

EV 的两大类是胞外体和外泌体。胞外体通过质膜出芽释放，大小范围为 50 nm 至 1 μm。外泌体起源于内体途径，通过形成 ESE、LSE 和最终包含 ILV 的 MVB。当 MVB 与质膜融合时，会释放外泌体（大小范围约为 40 至 160 nm）。外泌体可以是高度异质的群体，具有诱导复杂生物反应的独特能力。外泌体的异质性可以根据它们的大小、含量、对受体细胞的功能影响和起源细胞（来源）来概念化。这些特征的不同组合导致外泌体的复杂异质性。

外泌体的产生过程涉及质膜的双重内陷和含有腔内囊泡 (ILV) 的细胞内多泡体 (MVB) 的形成。通过 MVB 融合到质膜和胞吐作用，ILV 最终被分泌为直径约为 40 至 160 nm 的外泌体（图 1 ）。质膜的第一次内陷形成一个杯形结构，其中包括细胞表面蛋白和与细胞外环境相关的可溶性蛋白（图 2）。

图 2：外泌体的生物发生和鉴定

流体和细胞外成分，如蛋白质、脂质、代谢物、小分子和离子，可以通过内吞作用和质膜内陷作用与细胞表面蛋白一起进入细胞。由此产生的细胞腔侧质膜芽形成呈现出由外向内的质膜方向。这种出芽过程导致 ESE 的形成或可能与由内质网 (ER)、跨高尔基体网络 (TGN) 和线粒体的成分预先形成的 ESE 融合。ESE 也可以与 ER 和 TGN 融合，这可能解释了内吞物如何到达它们。因此，一些 ESE 可以包含可以代表不同来源的膜和管腔成分。ESE 产生 LSE。LSE 的第二次内陷导致 ILV 的产生，这一步可以导致未来外泌体的货物进一步修饰，细胞质成分进入新形成的 ILV。作为 ILV 形成的一部分，蛋白质（最初位于细胞表面）可以在 ILV 中明显分布。根据内陷体积的不同，该过程可能会产生具有不同内容的不同大小的 ILV。LSE 产生具有定义的 ILV（未来外泌体）集合的 MVB。MVB 可以与自噬体融合，最终内容物可以在溶酶体中降解。降解产物可以被细胞回收。MVB 还可以直接与溶酶体融合进行降解。不遵循此轨迹的 MVB 可以通过细胞骨架和微管网络转运至质膜，并在 MVB 对接蛋白的帮助下停靠在质膜的腔侧。随后发生胞吐作用并导致释放具有与质膜相似的脂质双分子层取向的外泌体。几种蛋白质与外泌体生物发生有关，包括 Rab GTPases、ESCRT 蛋白，以及其他也用作外泌体标记的蛋白质（CD9、CD81、CD63、flotillin、TSG101、神经酰胺和 Alix）。外泌体表面蛋白包括四跨膜蛋白、整合蛋白、免疫调节蛋白等。外泌体可以包含不同类型的细胞表面蛋白、细胞内蛋白、RNA、DNA、氨基酸和代谢物。

围绕外泌体功能的问题主要集中在了解其成分的命运以及它们在细胞培养系统中对受体细胞诱导的表型和分子改变。外泌体摄取和分泌途径可能相交，导致随着时间的推移，对于由内源性产生和回收的外泌体组成的任何给定细胞，都会产生混合的外泌体群体（图 3 ）。

图 3：内化外泌体和内源性外泌体的细胞旅程

外泌体可以通过不同的机制直接进入细胞（红色），细胞通过胞吞过程从头生成外泌体（蓝色）。外泌体不断地被细胞产生和吸收。很可能它们可以作为从头生成和消耗的外泌体（红色和蓝色）的混合物分泌。目前尚不清楚内源性外泌体的释放是一起发生还是分开发生。被摄取的外泌体会被溶酶体降解。进入细胞的外泌体可能进入或与预先存在的 ESE 融合，随后分解并将其内容物释放到细胞质中。或者，核内体可以与质膜融合并在细胞外释放外泌体。

人类生殖、怀孕和胚胎发育需要精确、微调和动态的细胞间通讯。精液、羊水、血液和母乳都含有具有假定功能的外泌体。精浆外泌体与精子成熟有关。分子谱分析表明 microRNAs let-7a、let-7b、miR-148a、miR-375 和 miR-99a 在来自多个人类供体的精浆来源的外泌体中富集。这些 miRNA 与白介素（IL-10 和 IL-13）的表达有关，增加了外泌体在生殖器驻留免疫中发挥作用的可能性。精浆来源的外泌体也能抑制 HIV-1 感染，可能是通过阻断 HIV 早期蛋白转录激活因子 (Tat) 募集和随后的 HIV-1 转录（图 4）。

图 4：病毒感染中的外泌体

外泌体可以限制或促进病毒感染。IFNα 或 APOBEC3G 等外泌体货物可以通过限制病毒复制或增强抗病毒免疫力来抑制感染。病毒还可以劫持外泌体生物发生机制以促进病毒传播。外泌体可作为假包膜，通过四跨膜蛋白（CD81、CD9）和 PtSer 相互作用增强病毒进入受体细胞，并有助于逃避抗病毒免疫。病毒成分（蛋白质和 miRNA）的共转运也可以增强传染性。外泌体介导的病毒转移可能参与病毒遗传协同性和感染多样性。

外泌体在免疫反应中的作用已被广泛记录，但应该指出的是，在长时间反复给予相对低剂量的小鼠或人类细胞来源的外泌体的小鼠中，没有观察到严重的免疫反应。尽管如此，最近对工程化外泌体进行的实验表明，外泌体在引发适应性和先天性免疫反应方面具有功能，支持它们在治疗开发中的效用，以及在协调免疫反应以应对感染因子或癌症方面的潜在作用（图 5 ）。外泌体在免疫调节中的功能可能是由于抗原肽的转移和呈递，在受体细胞中传递DNA诱导的cGAS-STING(干扰素基因环GMP-AMP合成酶刺激物)信号(一种免疫途径，其中细胞质DNA的感知触发炎症基因的表达和I型IFN反应)，外泌体 miRNA 的基因表达操纵，以及外泌体上存在的表面配体诱导不同的信号通路。

图5：外泌体对免疫反应的调节

来自不同细胞来源的外泌体，包括免疫细胞（B 细胞和树突细胞）、癌细胞、上皮细胞和间充质细胞，脱落的外泌体可以影响先天免疫系统和适应性免疫系统受体细胞增殖和各自的活性。CD4 +和 CD8 + T 细胞 [细胞毒性 T 细胞 (CTL)] 可以直接或间接地受到外泌体的影响，刺激或抑制它们的增殖和功能。

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。

图 6：治疗性外泌体的细胞摄取

从树突细胞、成纤维细胞和间充质细胞中分离出的治疗性外泌体可以对靶细胞产生特定作用，包括新抗原呈递、免疫调节和药物有效载荷递送。治疗性外泌体对靶细胞的影响可能受到不同的进入或相互作用机制的控制。完整外泌体的进入可能涉及受体介导的内吞作用、网格蛋白包被的凹坑、脂筏、吞噬作用、小窝和巨胞饮作用。外泌体内容物的进入，或外泌体诱导信号，可能涉及配体-受体诱导的细胞内信号或融合，以将外泌体内容物沉积到细胞质中。

尽管有趣的外泌体生物学在很大程度上通过细胞培养系统得以阐明，但仍需要使用小鼠模型和生理学相关实验条件进行实验。据报道，外泌体可诱导细胞发生分子改变，但由于使用了细胞培养来源的外泌体的超生理数量，因此这些观察结果是否具有相关性仍然存在问题，通常还需要更精确的分离和表征程序。随着我们对 EV 的异质性、它们的货物和功能的了解的发展，对外泌体的精确和准确表征的需求将继续增长。将超生理水平的外源性外泌体推注剂量注入小鼠体内与渗透性细胞表型相关，包括调节癌症进展、诱导瘤形成和组织再生。目前尚不清楚外泌体的未操纵生理水平是否在体内发挥调节稳态或病理功能（或两者都不发挥）。该领域迫切需要动物模型来研究外泌体的生物发生、运输和细胞进入。果蝇、秀丽隐杆线虫、非洲爪蟾和斑马鱼模型可能提供更多见解。

外泌体是由细胞产生的，外泌体是由细胞产生的，但人们很想知道它们是否与促进第一个原始细胞产生的早期原始粒子有关。外泌体是否可以生长和分裂，以及在合适的环境下参与信号事件和自主生化反应仍有待确定。外泌体和逆转录病毒之间的相似性也增加了外泌体可能作为先于单细胞生物体的原始粒子发挥作用的可能性。