外泌體的應(yīng)用
——有機(jī)遇，也有挑戰(zhàn)

■文/項(xiàng)耀祖

項(xiàng)耀祖,同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授。

外泌體（exosome）是細(xì)胞分泌囊泡（extracellular vesicles）的一種亞型，存在于生物體液中，并參與多種生理和病理過(guò)程。外泌體被認(rèn)為是細(xì)胞間通信的一種新機(jī)制，允許細(xì)胞交換蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和遺傳物質(zhì)。過(guò)去，細(xì)胞分泌的外泌體一度被認(rèn)為只是參與廢物排泄；現(xiàn)在，隨著高通量蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組學(xué)的發(fā)展，外泌體被廣泛認(rèn)為是生物體內(nèi)細(xì)胞間短距離和長(zhǎng)距離交流的高度保守的途徑，這種細(xì)胞間通信對(duì)于正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞都是非常重要的。

所有真核細(xì)胞類(lèi)型包括造血細(xì)胞、上皮細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、干細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和癌癥細(xì)胞均可在培養(yǎng)條件下分泌外泌體。體內(nèi)所有體液，包括血液、唾液、腦脊液、腹水，甚至尿液中都可以分離得到外泌體。這些外泌體傳輸多種信號(hào)分子，包括蛋白質(zhì)、信使核糖核酸（mRNA）和非編碼核糖核酸（RNA），其攜帶的分子可以被其他細(xì)胞吸收。因此，外泌體可以將生物信息轉(zhuǎn)移到相鄰細(xì)胞。這種細(xì)胞間通信不僅涉及生理功能，還涉及一些疾病的發(fā)病機(jī)理，包括腫瘤、心血管疾病和神經(jīng)退行性疾病等。

目前，在各種健康與疾病模型中都發(fā)現(xiàn)，外泌體通過(guò)分子信息傳遞扮演著重要的角色。外泌體還越來(lái)越多地被認(rèn)為是疾病的生物標(biāo)志物和預(yù)后因子，具有重要的臨床診斷和治療意義。除此之外，它們還有潛力被用于臨床，作為基因和藥物遞送的載體。

疾病早期診斷和預(yù)后

健康人和多種疾病的患者會(huì)將含有不同RNA和蛋白質(zhì)成分的外泌體釋放到體液循環(huán)中，因其特殊性，外泌體可以作為生物標(biāo)志物來(lái)對(duì)疾病進(jìn)行檢測(cè)。例如，從血液或尿液中分離的外泌體可以用作癌癥、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病、心臟病的診斷和預(yù)后的指標(biāo)。

目前，腫瘤的早期診斷受限于發(fā)現(xiàn)時(shí)間太晚以及診斷過(guò)程的煩瑣、費(fèi)用昂貴。因此，在人體體液內(nèi)尋找和檢測(cè)腫瘤細(xì)胞分泌的外泌體可能會(huì)是一種新穎的、無(wú)創(chuàng)的、高度可靠的診斷方式。例如，有研究報(bào)道，通過(guò)對(duì)患者血液中的外泌體進(jìn)行分析，肺癌和胰腺癌的早期診斷率分別已經(jīng)能夠達(dá)到75% 和 90%。腫瘤細(xì)胞來(lái)源的外泌體特異性蛋白質(zhì)或小分子RNA（miRNA）標(biāo)志物可以作為腫瘤診斷檢測(cè)的高特異性指標(biāo)，并且用于指示腫瘤的發(fā)展情況和侵襲程度。

2016年1月，全球首個(gè)基于外泌體的癌癥診斷產(chǎn)品在美國(guó)上市。由Exosome Diagnostics公司推出的這一液體活檢產(chǎn)品標(biāo)志著新興的外泌體生物學(xué)向成熟邁進(jìn)了一步。其他致力于外泌體診斷或治療應(yīng)用的公司還包括Codiak BioSciences公司、Exosome Sciences公司、Exovita Biosciences公司、CliniCan Health Research公司、CARIS LIFE SCIENCES公司和ExoCoBio公司等。雖然關(guān)于外泌體生物學(xué)的基本問(wèn)題仍有很多懸而未決，但高通量診斷方面的應(yīng)用開(kāi)發(fā)已在不斷向前推進(jìn)。

除了腫瘤，外泌體在其他疾病如心血管疾病等的診斷和治療的相關(guān)臨床試驗(yàn)也在世界范圍內(nèi)開(kāi)展中。

外泌體新型治療劑

腫瘤轉(zhuǎn)移是一個(gè)包括癌細(xì)胞侵入、血管中存活、宿主器官附著和殖民化等多步驟的復(fù)雜過(guò)程。外泌體能夠影響這個(gè)級(jí)聯(lián)反應(yīng)的每一步，因此可作為腫瘤治療的靶點(diǎn)。腫瘤細(xì)胞在轉(zhuǎn)移到其他組織時(shí)需要在間質(zhì)細(xì)胞間移動(dòng)并到達(dá)血管中，在這個(gè)過(guò)程中，腫瘤細(xì)胞外泌體通過(guò)纖維連接蛋白促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)性，再通過(guò)蛋白酶促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的分解、血管生成，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移。多數(shù)腫瘤細(xì)胞對(duì)轉(zhuǎn)移的組織具有指向性，而外泌體表面的整合素就是決定其指向性的因子，如外泌體αvβ5整合素決定了對(duì)肝臟的指向性，而外泌體α6β4·α6β1整合素決定了對(duì)肺部的指向性。

此外，惡性腫瘤細(xì)胞往往能夠通過(guò)分泌大量外泌體抑制宿主固有免疫。對(duì)外泌體的質(zhì)譜研究發(fā)現(xiàn)，惡性腫瘤細(xì)胞的外泌體含有大量活化型的表皮生長(zhǎng)因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR），可以抑制宿主細(xì)胞α型干擾素(IFN-α)的產(chǎn)生。這就解釋了為什么部分腫瘤患者固有免疫低下，也為晚期癌癥患者的治療提供一個(gè)新的策略和理論依據(jù)。

外泌體在心臟修復(fù)中同樣起著關(guān)鍵作用。外泌體通過(guò)內(nèi)含的miRNA直接調(diào)控基因表達(dá)，將信息傳遞給靶細(xì)胞。盡管干細(xì)胞移植治療是一種很有前景的修復(fù)損傷心臟組織并使其再生的輔助手段，但由于缺血心臟中移植細(xì)胞的存活狀況不佳，一般僅能觀察到心臟功能的輕度改善。最近的研究表明，干細(xì)胞釋放的外泌體可以作為心臟修復(fù)潛在的無(wú)細(xì)胞治療劑。干細(xì)胞分泌的外泌體相比干細(xì)胞有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）旁分泌效應(yīng)，外泌體作為干細(xì)胞旁分泌作用的一種媒介；（2）組合起效，外泌體可與現(xiàn)有的組合物或方法進(jìn)行組合；（3）個(gè)性化，外泌體可改造特定活性成分；（4）靶向特異性，外泌體被工程化改造后，具有靶向特定細(xì)胞類(lèi)型或組織的功能；（5）安全性高，外泌體治療屬于無(wú)細(xì)胞療法。

事實(shí)上，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明：在小鼠急性心肌梗塞術(shù)后，注射來(lái)源于間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSCs）、心臟祖細(xì)胞（cardiac progenitor cells，CPCs）、 胚 胎 干 細(xì) 胞（Embryonic stem cell，ESC）或心肌源性細(xì)胞（Cardiosphere-derived cells，CDCs）的外泌體均可改善心臟功能，減輕心臟纖維化，刺激血管生成。例如，心源性細(xì)胞外泌體（CDCexo）能通過(guò)特異性的巨噬細(xì)胞極化為急性心肌梗死提供心臟保護(hù)作用。心臟再灌注后，CDCexo的輸注降低了大鼠和豬心肌梗死模型的梗死面積，而且CDCexo會(huì)減少梗死組織內(nèi)CD68+巨噬細(xì)胞數(shù)量，并改變巨噬細(xì)胞的極化狀態(tài)。自體CD34+干細(xì)胞的移植可以改善缺血組織再灌注后的功能，并降低嚴(yán)重肢體缺血患者的截肢率。其作用機(jī)制在于：CD34+干細(xì)胞分泌的外泌體（CD34Exo）促進(jìn)小鼠下肢缺血模型血管生成。

雖然臨床前研究的證據(jù)表明干細(xì)胞釋放的外泌體可以作為心肌修復(fù)的潛在無(wú)細(xì)胞治療劑，但是，目前將外泌體完全用作心臟修復(fù)治療劑之前還是有很多核心問(wèn)題需要解決。

世界各地對(duì)外泌體的臨床研究

外泌體作為藥物治療的遞送系統(tǒng)

外泌體本身的惰性相當(dāng)高，但它們與細(xì)胞膜融合可將所攜帶的物質(zhì)和信號(hào)傳遞到受體細(xì)胞并改變其生物學(xué)功能，因此，外泌體是納米藥物遞送或基因治療的潛在載體。外泌體作為功能性小RNA和蛋白質(zhì)的天然載體也引起了藥物遞送領(lǐng)域的極大興趣，因?yàn)樗梢岳眠@些囊泡治療性遞送各種核糖核酸分子、肽和合成藥物。

雖然系統(tǒng)遞送的外泌體主要在肝臟、腎臟和脾臟中積累，但通過(guò)在外泌體的外表面上展示特定的靶向分子。例如，識(shí)別靶抗原的肽或抗體片段，可以獲得靶向外泌體；通過(guò)在細(xì)胞分泌囊泡上展示糖基磷脂酰肌醇（GPI）錨定的納米抗體，可以使細(xì)胞分泌囊泡顯示多種蛋白，包括抗體、熒光蛋白和信號(hào)分子。自然分泌的外泌體分離純化直接作為藥物的潛力有限，但是，將自然的外泌體分泌所需組分摻入合成脂質(zhì)體或納米顆粒中，并且使用可控程序組裝后的工程化外泌體模擬物在藥學(xué)上擁有更大的應(yīng)用潛力。

外泌體作為疾病診斷標(biāo)志物的潛在應(yīng)用依賴(lài)于基于外泌體的藥物遞送系統(tǒng)的技術(shù)突破，要將其用于臨床治療，外泌體的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)還面臨很大的挑戰(zhàn)。首先，對(duì)外泌體的具體合成機(jī)制、功能了解并不是非常詳細(xì)。其次，現(xiàn)在缺乏經(jīng)濟(jì)有效的外泌體分離技術(shù)。然而，雖然當(dāng)前外泌體生物學(xué)仍然不成熟，但越來(lái)越多的興趣和資金投入必將加速外泌體基礎(chǔ)研究進(jìn)展和臨床轉(zhuǎn)化。