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            新闻 Company News

            外泌体与疾病诊治

            发布时间:2020-11-23 14:11:12 | 来源:【药物研发团队 2020-11-23】
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            外泌体(exosome)是指包含了复杂RNA和蛋白质的小膜泡(30~150nm),现在特指直径在40~100nm的盘状囊泡。多种细胞在正常及病理状态下均可分泌外泌体。其主要来源于细胞内内溶酶体微粒内陷形成的多囊泡体,经多囊泡体外膜与细胞膜融合后释放到胞外基质中。

            1983年,外泌体首次于绵羊网织红细胞中被发现,1987年Johnstone将其命名为“exosome”。多种细胞在正常及病理状态下均可分泌外泌体。其主要来源于细胞内溶酶体微粒内陷形成的多囊泡体,经多囊泡体外膜与细胞膜融合后释放到胞外基质中。

            所有培养的细胞类型均可分泌外泌体,且外泌体天然存在于体液中,包括血液、唾液、尿液、脑脊液和乳汁中。 有关其分泌和摄取及其组成、“运载物”和相应功能的精确分子机制的研究才刚刚开始。 外泌体目前被视为特异性分泌的膜泡,参与细胞间通讯,具有重要的生物学作用,其含有细胞特异的蛋白、脂质和核酸(包括DNA、mRNA和非编码RNA),能够作为信号分子传递给其他细胞从而改变其他细胞的功能,是细胞-细胞间信息传递的重要方式。同时,外泌体可广泛并稳定地存在于体液中,且其免疫原性低、穿透屏障能力强,因此其作为疾病的生物标志物及药物递送载体具有天然的优势。

            一、外泌体的产生及分泌

            外泌体的生成是一个连续性的过程。首先,细胞外物质或细胞膜蛋白经内吞形成早期内体,经细胞内运输逐渐成熟为晚期内体,在某种生理病理条件下,晚期内体的界膜多处向内凹陷进去,形成蛋白运输与分拣中心—多囊体(MVB)。在MVB的形成过程中涉及了20多种囊泡分拣蛋白,其中最重要的是4种内体运输分拣复合物(ESCRT)和液泡蛋白分选因子(Vps4)MVB既可以与溶酶体融合,其内容物经溶酶体降解排出细胞外,也可以内出芽方式形成管腔内的囊泡(ILV),直接与胞膜融合,在ESCRT III型收缩及剪切芽颈帮助下脱落,释放入细胞外环境,形成外泌体。释放至细胞间质的外泌体会再次通过内吞作用或配体受体识别模式进入受体细胞,将“货物”释放入受体细胞胞质后,发挥信号传导作用,也可以重新形成MVB或直接与细胞质膜融合,进行下一个循环。

            外泌体的分泌途径

            外泌体有多种分泌途径:一种是组成型分泌途径,如免疫系统的B细胞、树突细胞(DC)和肥大细胞。目前,对外泌体的研究大多来自于免疫细胞,而在非免疫细胞焦生理性外分泌体的分泌很多还是未知的。另一种途径是通过细胞间相互作用刺激分泌外泌体。

            (二)外泌体的产生机制

            大多数常规的膜出芽过程是使膜从细胞器变形到细胞质中,而外泌体是由于细胞膜内吞形成内体,内体限制膜发生多处凹陷,向内出芽形成微囊泡(ILV),从而转变为具有动态亚细胞结构的多囊泡体(MVB),即晚期内体。MVB可以在内体限制膜处通过至少2种机制产生:一种是内吞分选转运复合体机制(ESCRT),另一种是非依赖性的ESCRT机制。ESCRT机制由一组胞质蛋白复合物发挥作用,其能识别泛素化修饰的膜蛋白。在无ESCRT的情况下,MVB仍然可以形成,这些ESCRT非依赖性MVB的产生可以通过MVB上丰富的四跨膜蛋白,也可以通过神经酰胺诱导细胞膜出芽促进MVB的形成。

            (三)外泌体的细胞间传递

            外泌体在细胞间通讯中发挥重要作用,可以影响细胞的多种功能,包括细胞因子的产生、细胞增殖、细胞凋亡和代谢等。目前认为,外泌体主要通过以下方式与受体细胞结合:

            1、外泌体将膜蛋白或其内容物转移至受体细胞,被受体细胞膜完全吞噬,这一过程需要非常规脂质LBPA和附属蛋白质Alix;

            2、外泌体膜与受体细胞膜直接融合;

            3、外泌体上的跨膜蛋白直接作用于受体细胞膜表面的信号分子。

            外泌体与受体细胞以何种方式结合取决于外泌体的大小及外泌体携带的物质。

            二、外泌体生成和分泌的调控机制

            外泌体的生成起源于质膜内陷。由早期内吞体向MVB成熟的过程中,内吞体膜通过内向生芽作用产生ILV,即为外泌体的前体。MVB和ILV的生成包括依赖ESCKT和非依赖ESCRT两种机制。在外体分泌至胞外的过程中,RAB家族和SNARE家族有着重要的辅助作用。调控上述过程中的任一关键点,即可调控外泌体的生成和分泌。这些不同机制的协同作用提示其可作为调控外泌体生成和分泌的潜在靶点。

            三、外泌体的主要组分

            外泌体的主要组分为蛋白质、核酸和脂质。

            超过4600种蛋白质与外泌体有关。外泌体蛋白主要有与其生物发生机制有关的蛋白(如细胞质蛋白)、参与抗原呈递的蛋白(CD1)、信号转导蛋白(G蛋白和蛋白激酶)、蛋白水解酶、细胞质微管蛋白、肌动蛋白和肌动蛋白结合蛋白。目前尚未发现外泌体中含有与内质网、高尔基体和细胞核相关的蛋白质。

            外泌体所具有的可以将其与其他生物囊泡区分开的一大特征就是含有大量核苷酸,在外泌体中已经发现了DNA、RNA、miRNA及非编码RNA等。在外泌体中发现的mRNA为功能性RNA,转运到靶细胞后可以翻译为蛋白质。外泌体miRNA可以稳定地存在于血液、尿液和其他体液中。通过外泌体表面的特异性蛋白可以确定其组织或细胞来源。因此,,外泌体miRNA可以用作生物标志物辅助疾病的临床诊断。

            外泌体的脂质成分包括鞘磷脂、胆固醇、神经节苷脂GM3、饱和脂肪酸、磷脂酰丝氨酸和神经酰胺。与其来源细胞的细胞膜比较,外泌体膜表面的磷脂酰胆碱和二酰基甘油含量降低。但外泌体表面富含磷脂酰丝氨酸,这有利于受体细胞内化,在外泌体的生物功能方面发挥重要作用。

            外泌体富含胆固醇和鞘磷脂。2007年, Valadi等发现鼠的肥大细胞分泌的外泌体可以被人的肥大细胞捕获,并且其携带的mRNA成分可以进入细胞浆中可以被翻译成蛋白质,不仅仅是mRNA,外泌体所转移的microRNA同样具有生物活性,在进入靶细胞后可以靶向调节细胞中mRNA的水平。这一发现使得研究人员对外泌体的研究热情激增,截止目前已经通过286项研究发现了41860种蛋白质、2838种microRNA、3408种mRNA。

            细胞释放不同大小、不同细胞内起源的胞外小泡(EVs)EVs的异质性和非囊泡性细胞外纳米颗粒的存在对我们理解不同分泌成分的组成和功能特性构成了主要障碍。更精确地了解RNA、DNA和蛋白质所在的正确细胞外组分,并确定它们的分泌机制,对于识别生物标志物和设计未来的药物干预至关重要。

            外泌体是由内体衍生的40~150nm的小细胞外囊泡(sEVs),由大多数细胞分泌。RNA(包括mRNA、microRNA [miRNA]和其他非编码RNA)、DNA和脂质被报道积极和选择性地整合到腔内小泡(ILVs)中,这些小泡位于多泡内体(MVEs)中,是外泌体的前体。除了形成外泌体中膜蛋白的组分,内体膜的向内出芽被认为会导致胞质蛋白和其他成分被吞噬到ILVs的腔内的机制。MVEs与质膜融合后,将ILVs作为外泌体释放到细胞外空间。相比之下,微泡是由质膜脱落产生的150~1000 nm的大细胞外膜泡(lEVs)。然而,至今仍然缺乏区分微泡和外泌体的特异性标记物。

            最近人们对EVs的兴趣越来越大,主要是由于发现外泌体在分泌的细胞外RNA (exRNA)的转运中起作用,包括细胞外miRNA和mRNA转运。Argonautes (Agos)是重要的miRNA加工蛋白,外泌体介导Ago蛋白分泌仍是一个悬而未决的问题。其他RNA结合蛋白(RBPs)也被报道存在于外泌体中,可能具有RNA分选的作用。然而,细胞外囊泡和纳米颗粒的异质性,以及纯化策略的差异,使当前外泌体的分析变得混乱。

            来自范德堡大学的研究人员近期在Cell杂志上发表文章,对外泌体组成进行了重新评估,确定了蛋白质、RNA和DNA在小细胞外囊泡和非囊泡细胞外物质之间的差异分布,并确定小细胞外囊泡不是活跃的DNA释放载体。

            该研究采用高分辨率密度梯度分离技术将sEVs从非囊泡性颗粒中分离出来,并采用直接免疫亲和捕获技术(DIC)将外泌体从其他类型的sEVs中分离出来。DIC在无超离的情况下,以经典的外泌体四次跨膜蛋白为靶点,采用捕获珠进行分离。蛋白质组学和核酸分析表明,细胞外RNA和蛋白质在sEVs和非囊泡组分中有不同的表达。包括Ago1-4在内的许多与外泌体装载exRNA相关的RBPs与带有外泌体标记蛋白CD63、CD81和CD9的经典外泌体无关。外泌体缺乏细胞骨架元素和常见的糖酵解酶;这些高度丰富的胞质蛋白的缺乏表明外泌体的装载一定是一个高度调控的过程。这些研究是使用人类结肠癌(DKO-1)和胶质母细胞瘤(Gli36)癌细胞系进行的。这一主要发现在正常人类肾上皮细胞和血浆中得到了证实。

            人们一直认为外泌体是细胞外DNA分泌的载体,使它们成为癌症患者液体活检的诱人目标。该研究提供的证据表明,双链DNA (dsDNA)DNA结合组蛋白不存在于外泌体或任何其他类型的sEV中。相反,该研究证明细胞外dsDNA和组蛋白的活跃分泌是通过自噬和MVE依赖的机制发生的,而不依赖于外泌体。此外,该研究确定annexin A1是经典质膜形成的微泡的一个标志蛋白。这些发现更精确地阐明了外泌体成分,为探索其功能特性提供了更坚实的基础。

            该研究表明,真正的外泌体在生物分子成分方面的范围要比人们普遍接受的小得多。虽然外泌体的分类标准本质上不是非常的精准的,但科学命名法的精确性对于确保实验观察之间的一致性至关重要。正确地将功能定位到适当的细胞外实体将是其作为生物标志物或治疗手段成功应用的必要条件。

            四、外泌体的生物学特性

            外泌体外膜富含胆固醇、鞘脂、神经酰胺、糖脂GM3和长饱和脂肪酰基的甘油磷脂链,在细胞微环境中发挥重要作用。广泛分布于人体各种体液。来源于不同细胞的外泌体表面携有相似的保守蛋白,如MHC I类和/或II类分子、热休克蛋白(hsp)、四跨膜蛋白(CD9、CD63、CD81、Alix、Tsg101)、整合素、细胞骨架蛋白以及一些生物酶类。

            外泌体内部载有母细胞特异性生物学物质,如胆固醇、蛋白质、mRNA、microRNA等生物信息。这些物质不仅能够反映其来源细胞类型,更重要的是,还与其来源细胞的生理功能或病理改变密切相关。最早时,外泌体只被认为是细胞的“垃圾袋”,让细胞摆脱一些无用蛋白,但在最近数年研究中发现,外泌体所携带的“货物”具有重要的生物学意义,尤其外泌体所包含的许多RNA分子已被证实会参与肿瘤发生、病毒感染、神经退行性等重要疾病过程。

            正是外泌体的这些表面蛋白和内部包含的特异性生物学物质决定外泌体具有异质性、稳定性的特征,此外,外泌体含有特殊的信号通道,所以还具有靶向运输性的特点。外泌体的这些生物学特性为外泌体的体外研究、临床应用提供了可能。

            五、外泌体的生物学功能

            胞外囊泡是细胞通讯的一种新机制,所有细胞包括真核细胞和原核细胞都能合成并分泌胞外囊泡,其中外泌体是胞外囊泡的一种主要类型。外泌体的生物发生是一个连续性的过程,涉及质膜的2次内陷和胞内多囊体的形成,并通过与质膜融合和胞吐作用,最终以直径约30~150nm大小的外泌体形式分泌到细胞外环境。外泌体可装载各种各样的“货物”,含有丰富的蛋台质、脂质、RNA、DNA及代谢物等,其中CD9、CD63、CD8I、TSG101和Alix等蛋白被广泛用作外泌体的标志物。

            外泌体作为一种新的细胞间通讯媒介具有重要的生物学作用。外泌体稳定性良好,其脂质双分子层膜结构能够保护内溶物,避免内溶物被降解或修饰,因此其携带的细胞特异性蛋白、脂质及核酸(包括DNA、miRNA和非编码RNA)能够作为信号分子传递给其他细胞,从而改变受体细胞的生物功能,是细胞-细胞信息传速的重要方式。外泌体可参与维持生物体多种生理程过程,涵盖了细胞质量控制、细胞间通讯、细胞废物清除、免疫调节、组织修复、干细胞分裂/分化、新血管生成和凝血等。此外,外泌体还可介导信号传递和分子转移,有助于一系列正常的生理过程,包括组织内稳态、发有、衰老、代谢调节、孕期分子转移和母乳喂养等。另外,外泌体可能通过跨胞吞作用而具有跨组织屏障(如血脑异降)的潜力。

            外泌体可以稳定地在各种体液中传递,并已成为生物体内稳态的指标,其含量反映了起源细胞和病理生理状态的事实,突出了它们作为生物标志物的有效性 。研究显示,人体细胞释放到循环系统和体液中的外泌体在健康人和不同疾病患者中显示出不同的蛋白质和RNA含量,提示其可作为疾病潜在的诊断指标。目前,外泌体已被证明在多种人类疾病的发病机制中具有潜在的作用,研究表明,外泌体可作为肿瘤、神经退行性疾病、心血管疾病、代谢疾病等多种疾病潜在的新型诊断标志物。此外,外泌体具有负载货物并将其传递给靶细胞的能力,采用外泌体作为药物转运载体,具有免疫原性低、运输效率高、稳定性好、靶向性强以及能跨越血脑屏障等独特优势。近年,人们开始积极探索外泌体自身或作为药物传递载体应用于各种疾病治疗的可行性。目前已有研究报道一些小分子化学药物及基因药物等被成功载入外泌体,并在神经系统疾病及肿瘤等的治疗中表现出巨大的潜力。

            综上所述,来源于不同细胞的外泌体在不同的生理、病理阶段具有不同的功能。现已知的外泌体作用分为以下两方面。一是母细胞:质量控制,选择性释放细胞内有害物质,维持细胞内环境稳态,保持细胞活力。二是受体细胞:作为多种信号的传递体,外泌体介导细胞—细胞之间的信息交流;既可近距离影响邻近细胞,也远距离进行系统调控。

            六、外泌体介导细胞通讯

            人体内多种细胞及体液均可分泌外泌体,包括内皮细胞、免疫细胞、血小板、平滑肌细胞等。当其由宿主细胞被分泌到受体细胞中时,外泌体可通过其携带的蛋白质、核酸、脂类等来调节受体细胞的生物学活性。外泌体介导的细胞间通讯主要通过以下三种方式:一是外泌体膜蛋白可以与靶细胞膜蛋白结合,进而激活靶细胞细胞内的信号通路。二是在细胞外基质中,外泌体膜蛋白可以被蛋白酶剪切,剪切的碎片可以作为配体与细胞膜上的受体结合,从而激活细胞内的信号通路。有报道称一些外泌体膜上蛋白在其来源细胞膜上未能检测出。三是外泌体膜可以与靶细胞膜直接融合,非选择性的释放其所含的蛋白质、mRNA以及microRNA。

            七、外泌体的生理病理功能

            外泌体可由免疫细胞、神经细胞和干细胞等多种类型细胞分泌,同时具有不同的生理功能,例如抗原呈递、RNA传递及组织修复等。作为细胞间重要的通讯工具,外泌体携带了丰富的

            生物活性物质,例如DNA、mRNA、miRNA和蛋白质等。这些物质在脂质双分子层的保护下,可以相对稳定地存在于细胞外环境中,因此,其不仅能作用于邻近的细胞,还可通过体液运输进入远端的靶细胞,履行其作为生理和病理信号载体的功能。有研究显示,外泌体可以介导神经元与神经胶质细胞之间的相互作用,从而调节轴突生长和突触形成。除了参与正常的生理活动,外泌体还与疾病进展有关。肿瘤细胞分泌的外泌体不仅可以影响局部的肿瘤微环境,促进血管形成和肿瘤细胞增殖,还能经长距离运输到达远端,增强血管形成并诱导内皮细胞和基质细胞分化,形成适合肿瘤转移定植的微环境。此外,外泌体可以将肿瘤抗原呈递给树突状细胞,诱导免疫应答,但其也能诱导活化的细胞毒性T细胞凋亡、减少自然杀伤细胞增殖能力或促进调节性T淋巴细胞的分化,从而发挥免疫抑制作用。

            八、外泌体与疾病

            研究发现,外泌体与肿瘤、白血病、心血管系统疾病、神经系统疾病、呼吸系统疾病、消化系统疾病、免疫系统疾病、泌尿和生殖系统疾病、眼科疾病等疾病的发生和发展密切相关。

            外泌体与肿瘤

            外泌体在细胞间的物质传递和信息交流中起着重要作用。肿瘤来源或肿瘤相关的外泌体能参与调控肿瘤的发生发展和侵袭转移等过程,有利于肿瘤的早期诊断、预后评估。

            外泌体与白血病

            在血液系统中,外泌体涉及白血病细胞及周围环境之间的串扰,促进白血病微环境的形成并充当免疫调节剂,是其治疗研究的潜在方向。

            外泌体参与白血病的发生和发展,在白血病的诊断和治疗中发挥作用。外泌体可通过影响细胞增殖、凋亡和自噬,调节骨髓微环境,促进血管生成及抑制骨髓造血等多方面促进白血病的发生发展。外泌体还可作为白血病的生物标志物,成为白血病的治疗靶点以及影响白血病耐药等。

            外泌体与心血管系统疾病

            外泌体在心力衰竭、急性心肌梗死、高血压、冠心病等心血管系统疾病中有着重要的作用,介导心血管疾病的发生和发展影响疾病的进程,并有望在一些心血管疾病中作为更加精准的生物标志物,用于相关疾病的诊断和治疗效果评估。

            外泌体与神经系统疾病

            外泌体miRNA通过调节β-淀粉样蛋白(Aβ)p-Tau蛋白的异常表达、与Toll样受体相互作用启动炎症反应等参与阿尔茨海默病(AD)的发病;外泌体miRNA还可作为AD的潜在治疗靶点。大量证据表明,外泌体miRNA表达紊乱在AD的发病机制中发挥了重要作用,外泌体miRNA可作为AD诊断的新型潜在生物标志物及治疗靶点。

            外泌体与自身免疫疾病

            根据细胞来源和靶细胞的不同,外泌体可以发挥免疫调节作用,也可以作为疾病的生物标志物和药物传递的载体,在自身免疫疾病的发病机制研究和免疫治疗应用中发挥重要作用。

            研究表明,外泌体在系统性红斑狼疮及狼疮性肾炎患者中异常高表达,提示血清中外泌体水平升高可作为狼疮活动度的指标,同时也提示外泌体参与了细胞因子的产生和释放;活动期狼疮肾炎患者尿液外泌体中miRNA-146a表达明显升高,在肾小球疾病及狼疮性肾炎患者的尿液外泌体中发现黏附分子ADAM10的蛋白水平较高,可作为早期肾小球疾病的生物标志物。

            外泌体与呼吸系统疾病

            外泌体与多种器官纤维化均密切相关,通过其携带的核酸、蛋白质、脂质等物质参与并调节肺纤维化过程,根据外泌体携带物质不同,对肺纤维化产生的影响也不同。对外泌体的研究为肺纤维化的诊治提供了新的方向和思路。

            外泌体在慢性阻塞性肺疾病(COPD)慢性炎症、气道重塑等发病机制中发挥的功能已得到了一定的研究,但在涉及COPD病理、生理过程及病理变化等具体机制方面还需进一步研究。

            外泌体与病毒感染疾病

            在病毒感染过程中,宿主细胞释放的外泌体带有病毒和宿主成分,介导远距离病毒感染细胞与未感染细胞之间的核酸和蛋白质转运,调控宿主对病毒感染引起的免疫反应。外泌体在病毒感染患者中异常高表达,因此外泌体不但可以作为病毒感染的生物标志物,也可以作为病毒感染疾病治疗的一种方法。

            此外,外泌体作为疫苗的潜在应用也同样引起重视,其优势包括具有更稳定的分子构象、存在表面黏附分子的表达,使得外泌体可以与抗原呈递细胞更有效地结合、可以通过体液循环将疫苗送达到远处器官等。

            外泌体与眼科疾病

            研究表明,角膜上皮来源的外泌体能与基质细胞融合,诱导成纤维细胞转化;外泌体参与眼压的调控,外泌体途径的异常转运可能是原发性开角型青光眼的潜在发病机制;外泌体的免疫调节作用参与视网膜炎症及纤维化的病理过程,对缺血性视网膜病变具有保护作用;间充质干细胞来源的外泌体可对外伤性视神经细胞损伤发挥保护作用;眼部来源的外泌体可将其内容物转移到邻近或远处细胞,参与细胞生长与转移、血管生成、免疫调节等多个病理过程,在年龄相关性黄斑变性(AMD)的发生发展中发挥着非常重要的作用,眼部来源的外泌体中的部分特异分子有望用于AMD的早期诊断和治疗。

            外泌体与生殖系统疾病

            研究显示,作为卵泡发育微环境的重要组成部分,外泌体与多囊卵巢综合征(PCOS)的发病机制密切相关。外泌体及其来源的非编码RNA有望作为PCOS潜在的新型诊疗靶点。

            外泌体对上皮-间质转化的调控作用

            上皮-间质转化(EMT)是上皮细胞获得间充质细胞特性的过程,在众多疾病中发挥重要作用。研究表明,外泌体在ENT的发生发展过程中具有双向调节作用。一方面,外泌体可促进细胞发生EMT,赋予肿瘤细胞侵袭和转移能力,促进血管新生和加快肿瘤生长;另一方面,外泌体也可以抑制EMT,发挥减弱肿瘤细胞侵袭能力,抑制心、肝、肾纤维化,改善心肌梗死等作用。外泌体可能是通过携带EMT相关蛋白或miRNA,调控EMT相关信号通路发挥双向调节作用。

            十一外泌体对组织纤维化的调节作用

            组织细胞损伤后释放的外泌体能触发炎症、激活成纤维细胞等途径启动修复和/或再生反应,导致组织纤维化。而干细胞释放的外泌体则能通过促进细胞存活、减少细胞凋亡等途径减轻组织纤维化。外泌体在组织纤维化的诊断、治疗和药物递送方面都有一定的应当前景。

            十二外泌体与自噬体的关系

            真核细胞内膜系统由细胞内相互联系膜状细胞器组成,包括外泌体的生成过程和自噬过程,对应激反应和维持细胞内稳态起着重要作用。外泌体是含有蛋白质与核酸等内容物的多泡体分泌到胞外形成的胞外囊泡,而自噬体是溶酶体依赖性的降解和循环再利用过程。研究发现,外泌体的生成和自噬之间有着共同的分子机制,二者存在实质性的交互通信。

            外泌体的生物发生和自噬对维持细胞稳态和缓解细胞应激起着至关重要的作用,越来越多的证据表明,这些细胞反应是通过自噬和外泌体之间的交互通信完成的。分子水平上,在外泌体生物发生过程中自噬相关蛋白和蛋白质复合物发挥一定作用。细胞器水平上,外泌体和自噬途径在自噬内涵体相互交叉,其内含物具有多种“命运”,包括细胞外释放或溶酶体降解。外泌体的生物发生和自噬之间相互作用的动态性和环境依赖性对正常生理和病理都具有十分重要的意义。

            十三脂肪组织外泌体与机体其他组织的互作

            脂肪作为机体内最大的分泌器官,可以通过释放激素、细胞因子等调节其他组织器官。近年来研究发现,脂肪组织可以释放外泌体并通过体液循环传递信号至其他组织器官,调节其靶器官的生理功能,且针对不同的靶器官,外泌体会产生不同的作用效果。脂肪组织产生的外泌体参与了机体中大多数生理活动的调节,因为本身多囊泡的稳定结构以及与生物膜类似的双层膜结构,外泌体被认为是介导组织间相互串联的重要载体。脂肪外泌体能参与机体中大部分组织器官的调节,可以影响其他组织器官的生理代谢、损伤修复等方面。机体的稳态是各组织间相互作用的结果,外泌体的发现,为脂肪组织与其他组织互作提供了稳定的物质基础。

            十四外泌体与免疫细胞

            免疫细胞是机体免疫系统的重要组成部分,免疫细胞与免疫细胞间或免疫细胞与其他细胞间的相互作用受到精细调控,进而保证机体免疫功能正常发挥作用。外泌体作为一种体内信息运输载体,因其具有直接将物质传递至细胞内的特性。研究发现,不同细胞来源的外泌体可以作用于免疫细胞,影响其功能,而免疫细胞自身也可以产生外泌体,调节相应细胞的功能。

            十五外泌体糖蛋白

            糖蛋白是mRNA经过翻译生成蛋白质后进一步加工修饰(糖基化修饰)的产物,参与细胞信号的转导,细胞增殖、分化和凋亡的调控,以及生物体的发育等重要的生命过程。绝大部分蛋白质需要经过糖基化修饰后才能起作用。近年来研究发现,包括肿瘤在内的许多疾病都与外泌体糖蛋白关系密切。因此,外泌体的糖蛋白可能在包括肿瘤在内的多种疾病的发生发展过程中发挥着重要作用。

            九、外泌体与疾病诊疗

            研究发现,外泌体的临床应用主要是作为生物标志物辅助疾病诊断、直接作用于靶细胞用于疾病治疗、作为运载体用于治疗疾病三个方面。

            外泌体可以携带蛋白、核酸、脂质等物质进出细胞。几乎所有体液中都有外泌体的存在,包括睡液、母乳、血液、滑液、羊水、尿液、精子和卵泡液等。不同疾病患者从细胞释放到循环系统及泌尿系统中的外泌体,其所含脂质、蛋白质和RNA水平有明显差别,这使得血液或尿液等来源的外泌体可以作为多种疾病的潜在诊断标志物。多项研究表明,从血清中分离的外泌体拥有作为胰腺癌、多形性胶质母细胞瘤、胃癌、神经系统疾病等疾病诊断标志物的潜力,而尿液中的外泌体已作为生物标志物的材料来源,用于肾脏、泌尿系统及全身性疾病的诊断。相对于组织样本的难获取和难重复性,利用外泌体来源的生物标志物进行疾病的检测,是一种准确、无创且成本效益更优的诊断方法

            除用于疾病诊疗外,良好的生物相容性、循环稳定性、生物屏障渗透性、低毒性和低免疫原性,使得外泌体具有作为药物载体的潜力。利用外泌体进行基因编辑工具的递送,也是科学家关注的热点。相对于人工合成的纳米载体而言,外泌体在结构和组成上与细胞膜更相似,具有足够时长的循环半衰期,并且可以穿透组织深处并逃避免疫系统的清除,是一种很有应用前景的递送工具。此外,通过人工修饰外泌体以增加其靶向性,是当下外泌体递送策略的研究重点之一。这种靶向性可以通过在亲本细胞中导入表达靶向配体和跨膜蛋白域的融合质粒完成,也可以对外泌体表面进行靶向抗体的涂覆。

            外泌体作为疾病治疗的方法主要包括两种,一种是直接携带其来源母细胞中的物质进入受体细胞,从而影响靶细胞功能;另一种是作为运载体将治疗药物运输到靶器官或细胞,从而达到治疗目的。

            外泌体直接作用于靶细胞

            外泌体来源细胞可分为异常细胞和正常细胞两大类,而目前具有治疗作用的外泌体主要是来源于正常细胞,其主要包括健康人体体细胞和干细胞两大类。众多研究表明,干细胞可以通过旁分泌的形式来促进组织器官的修复,而进一步研究发现干细胞来源细胞外囊泡在旁分泌机制中发挥了重要的作用,因为研究中发现外泌体可以通过携带干细胞来源的生物活性分子进入受体细胞而间接发挥干细胞的生物学功能,且外泌体具有免疫原性低,相对易于管理,无致瘤性风险等优点。因此,近年来,研究人员开始逐渐关注干细胞来源外泌体作为干细胞治疗的潜在替代品。近几年也不断有干细胞来源外泌体用于疾病治疗的报道,如干细胞来源外泌体可用于皮肤损伤的修复;脂肪间充质干细胞来源的外泌体在体外可改善缺氧诱导的骨细胞凋亡和晋细胞介导的破骨细胞形成;干细胞/祖细胞来源的细胞外囊泡可用于治疗肾脏疾病;间充质干细胞来源的分泌体和细胞外囊泡用于放射性肺损伤的治疗;人脐带间充质干细胞来源外泌体可通过降低巨噬细胞NLRP3炎症小体的活性来减轻急性肝衰竭;人肝脏干细胞来源的细胞外囊泡通过Akt/Mtor/PTEN联合调控增强肿瘤干细胞对酪氨酸激酶抑制剂的敏感性;间充质干细胞来源的细胞外囊泡可促进乳腺癌细胞的休眠,从而协助乳腺癌细胞治疗等。其他来源于健康人体的非干细胞来源外泌体也可用于疾病的治疗,如血小板微粒浸润实体肿瘤后通过转移miRNA给受体细胞来抑制肿瘤生长;肝脏细胞来源外泌体也可用于病毒性肝炎、肝硬化、肝癌等经的治疗。

            外泌体作为运载体治疗疾病

            外泌体可通过膜融合的方式进入靶细胞,由于其可以很自然地将核酸、蛋白质和脂质等物质传递给受体细胞,因此它们在药物靶向治疗疾病领域中拥有很好的前景。相比于传统的靶向治疗药物运载体(如病毒、质粒),外泌体药物运载系统具有低免疫原性、高生物相容性、低毒性和可跨血脑屏障等特征。目前,外泌体作为运载体用于靶向治疗的研究相对成熟,除了用于蛋白质、核酸(miRNA、IncRNA)的运输,还可以运载中药物质等。外泌体作为运载体在分子治疗中的应用最为广泛,如细胞外囊泡运载自杀性mRNA和/或蛋白用于恶性胶质瘤等恶性肿瘤的治疗;siGRP78修饰外泌体可使索拉非尼耐药的癌细胞对索拉非尼敏感;外泌体运载的miRNA-142-3p抑制剂在体内外可降低乳腺癌的致瘤性;装载有siRNA的外泌体可在体外传递到癌细胞中并调控肿瘤细胞的增殖过程。除此之外,外泌体还可运载治疗基因编辑工具或其它临床药物成分来达到治疗疾病的目的。

            十、外泌体作为药物递送载体

            外泌体是由细胞主动向外分泌的膜性囊泡,可以从多种细胞

            的培养基及动物体液中分离获得。外泌体主要由蛋白质、核酸、脂质组成,直径介于40~100nm,分子结构小,生物相容性高,可运输蛋白质、核酸及脂质等物质,是天然的内源性纳米载体。目前研究表明,外泌体在远距离细胞间信息传递中起着重要作用,涉及生理和病理过程。因此,外泌体递送药物已成为目前研究的热点。但外泌体的产量和靶向性问题仍然是制约其作为药物递送载体的关键因素,仍需进一步深入研究。

            十一、外泌体改造和修饰

            为避免被免疫系统快速清除、提升靶向细胞特异性、提高细胞内传递效率,需要对外泌体进行改造和修饰。可通过“细胞工程”转染蛋白质或寡核苷酸装载到外泌体进行改造和修饰;也可以通过“外泌体工程”表面改造或修饰功能配体,增强外泌体的药物载体系统的作用。此外,外泌体配体的功能化可减缓外泌体的清除和跨膜效率。总之,通过对外泌体的改造和修饰,使其成为一种理想的药物递送系统,具有广阔的临床应用前景,但仍需对外泌体作为药物递送载体的安全性、生产质量控制、生物效应等进行深入研究。

            十二、外泌体相关组学研究

            外泌体的主要组分是蛋白质、核酸、脂质。不同来源的外泌体,其主要组成成分不同,发挥的生理病理作用也不相同。因此,对外泌体相关组学进行深入研究,对外泌体的临床应用转化具有重要意义。

            外泌体常用的数据库ExoCarta(http://www.exocarta.org),记录了超过286个外泌体研究的数据,其中就包含有41860种蛋白质,是所有记录的外泌体内容物中排名第一的分子。此外,还有3408种RNA、2838种miRNA及1116种脂质在外泌体中被发现。由此可见,外泌体中的蛋白质成分在外泌体相关的生物学研究中占据着重要地位。由于外泌体中蛋白质分子具有多样性,无论从标志物角度还是疾病机制角度进行研究,外泌体蛋白质无疑会成为未来的明星分子。

            十三、外泌体研究面临的挑战

            尽管外泌体在疾病诊断、疾病治疗及药物递送方面表现出了令人兴奋的应用前景,但仍有一些问题需要注意。首先,如何提升内容物检测的灵敏度和特异性,是外泌体作为生物标志物必须跨越的障碍。其次,血浆和尿液里的外泌体来源于多种组织细胞,如何通过外泌体的特异性表型特征,对其来源细胞进行鉴定,以更好地解读外泌体携带的信息仍需进一步探索。此外,样本中包含有很多与外泌体相似的组分,例如细胞碎片、其他细胞外囊泡等,随着外泌体研究的发展,现有分离技术已经不能满足研究的需要,开发更为高效的外泌体分离技木,才能在外泌体领域进行更深入的探索。最后,外泌体作为药物靶向载体,优化出更为高效的药物加载方式,以及精确、无副作用的靶向装置,是保证治疗成功的关键所在。

             

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