外泌體：蘊(yùn)含“大寶藏”的小囊泡

顏珊珊　張鋒　黃浩

摘要 對外泌體的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。外泌體是多種細(xì)胞均可分泌的一種納米級胞外囊泡，能攜帶脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和復(fù)雜RNA等生物活性物質(zhì)，通過與細(xì)胞膜融合釋放囊泡內(nèi)容物進(jìn)入細(xì)胞外環(huán)境，影響鄰近或遠(yuǎn)處細(xì)胞。外泌體可參與細(xì)胞間信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，尤其在腫瘤微環(huán)境中通過傳遞癌或抑癌信息，影響腫瘤的發(fā)展進(jìn)程。

關(guān)鍵詞 外泌體 生物標(biāo)志物 藥物運(yùn)輸 載體

中圖分類號 Q-49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 E

細(xì)胞是生命系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，每時每刻都在進(jìn)行著新陳代謝，產(chǎn)生各種各樣的物質(zhì)，其中既有細(xì)胞代謝產(chǎn)生的“壞東西”，也有一些可被其他細(xì)胞利用的“好東西”。曾經(jīng)人們一直認(rèn)為這些細(xì)胞代謝排出的“垃圾”都被一種稱之為“外泌體”的囊泡狀結(jié)構(gòu)所收集并運(yùn)輸，因此把“外泌體”稱為細(xì)胞的“垃圾袋”。然而，隨著生命科學(xué)的研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)外泌體是細(xì)胞之間交流的一個重要分子，其中豐富的內(nèi)容物具有重要的生物學(xué)意義。研究還發(fā)現(xiàn)，外泌體可作為臨床疾病診斷的生物標(biāo)志物和藥物運(yùn)輸?shù)妮d體?？梢哉f，外泌體己經(jīng)不再是以前的“垃圾袋”了，而是蘊(yùn)含著“大寶藏”的小囊泡。下面將對外泌體及其在疾病診療中的應(yīng)用進(jìn)行概述。

1 外泌體概述

1.1 外泌體的發(fā)現(xiàn)

早在1983年，科學(xué)家分別在大鼠和綿羊網(wǎng)織紅細(xì)胞中觀察到一種由細(xì)胞產(chǎn)生、通過與質(zhì)膜融合而釋放的胞外囊泡，隨后Johnstone將其命名為“Exosome”——外泌體。起初外泌體被認(rèn)為是容納細(xì)胞碎片和代謝廢物的“袋子”，但后來人們發(fā)現(xiàn)外泌體的“本領(lǐng)”不小，它不僅參與細(xì)胞免疫，而且可攜帶mRNA、微小RNA （miRNA）、長鏈非編碼RNA （lncRNA）和線粒體RNA等核酸內(nèi)容物，完成細(xì)胞間相互的信息傳遞。外泌體還具有生物學(xué)活性，是細(xì)胞間通信的重要信號載體，由此引發(fā)了針對外泌體的研究熱潮。

1.2 外泌體的形成

外泌體是一種直徑約30-150 nm、具有脂質(zhì)雙分子層的囊泡。機(jī)體中眾多類型細(xì)胞如肥大細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞、表皮細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞等均可釋放外泌體。外泌體廣泛存在于各種體液中，如血液、尿液、唾液、母乳、腦脊液和胸腔積液等。

外泌體的形成方式不同于普通微囊泡的出芽，它起源于早期胞內(nèi)體，隨著胞質(zhì)內(nèi)miRNA、酶分子和熱休克蛋白等一些“寶貝”的包裹進(jìn)入，逐漸形成晚期胞內(nèi)體即多囊泡小體（multivesicular bodies，MVBs），MVBs與細(xì)胞膜融合，以胞吐方式向細(xì)胞外釋放小囊泡，即外泌體。

2 外泌體的結(jié)構(gòu)與組成

體液中的外泌體主要呈球形，而在電鏡下主要為杯形。外泌體由脂質(zhì)雙分子層的外膜和內(nèi)容物構(gòu)成，其中蘊(yùn)含的“大寶藏”主要包括脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、RNA等生物活性物質(zhì)，但是缺乏高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等普通細(xì)胞中常見的細(xì)胞器。

2.1 外泌體中的脂質(zhì)

外泌體富含脂質(zhì)，脂質(zhì)成分與細(xì)胞膜接近，包括鞘磷脂、膽固醇、磷脂酰膽堿、磷脂酰絲氨酸和神經(jīng)酰胺等。這些脂質(zhì)既能維持外泌體的結(jié)構(gòu)，也能保護(hù)內(nèi)容物的成分完整。此外，一些特定脂質(zhì)還能承擔(dān)細(xì)胞間通訊介導(dǎo)因子的角色。

2.2 外泌體中的蛋白質(zhì)

外泌體所含蛋白質(zhì)種類繁多，一般由其母代細(xì)胞決定，大致可分為非特異性蛋白質(zhì)和特異性蛋白質(zhì)。非特異性蛋白質(zhì)是指幾乎所有外泌體均含有的蛋白質(zhì)，如細(xì)胞骨架蛋白、跨膜蛋白、膜轉(zhuǎn)運(yùn)融合蛋白、核糖體蛋白、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子以及黏附因子等。其中四跨膜蛋白（例如CD9、CD37和CD63等）在外泌體表面高度富集，能夠促進(jìn)其他膜蛋白的運(yùn)輸、穩(wěn)定性和低聚。因此可借助蛋白免疫印跡法，通過檢定CD63或CD9的條帶及鈣聯(lián)蛋白含量來證實(shí)外泌體提取的純度。外泌體還含有由特定細(xì)胞分泌的特異性蛋白質(zhì)，如腫瘤細(xì)胞來源的外泌體上攜帶的大量腫瘤抗原;抗原呈遞細(xì)胞分泌的外泌體含有的高水平的Ⅱ類組織相容性復(fù)合物（maj or histocompatibility complex-Ⅱ，MHC-Ⅱ）;急性腎損傷患者的尿外泌體中表達(dá)顯著增高的胎球蛋白A等，這些特異性蛋白質(zhì)可能與介導(dǎo)細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)，在免疫和腫瘤等多種生理病理過程中發(fā)揮重要作用，也使得外泌體可以作為疾病或腫瘤的標(biāo)志物。

2.3 外泌體中的核酸

外泌體含有豐富的核酸，包括基因組DNA和多種RNA。外泌體RNA包括少量mRNA以及非編碼RNA。這些非編碼RNA包括miRNA、IncRNA、小核RNA（small nuclearRNA， snRNA）和轉(zhuǎn)移RNA（ transfer-RNA，tRNA）等。Valadi等首次證明了在外泌體中有miRNA的存在以及通過外泌體在細(xì)胞間進(jìn)行運(yùn)輸，親本細(xì)胞釋放的miRNA通過介導(dǎo)細(xì)胞間通訊進(jìn)而調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。

3 外泌體的生理病理功能

越來越多的研究表明外泌體不是細(xì)胞的“垃圾袋”，而是具有重要生物學(xué)功能的“寶箱”。在正常細(xì)胞中，外泌體參與許多生理過程，如凝血、免疫調(diào)節(jié)、干細(xì)胞分化、組織再生和自噬等。還有研究顯示，外泌體通過參與神經(jīng)元與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞之間的相互信息傳遞，從而調(diào)節(jié)軸突生長和突觸形成。在腫瘤細(xì)胞中，外泌體可以與附近甚至遠(yuǎn)處的細(xì)胞傳遞信息，能在一定程度上改變局部基質(zhì)細(xì)胞行為，產(chǎn)生促進(jìn)腫瘤血管生成、免疫抑制等有利于腫瘤生長和轉(zhuǎn)移的促腫瘤微環(huán)境。因此，外泌體無論在正常細(xì)胞還是腫瘤細(xì)胞中都具有重要的生物學(xué)功能。

4 外泌體在疾病診療中的應(yīng)用

4.1 生物標(biāo)志物

隨著腫瘤研究的不斷深入，腫瘤細(xì)胞特異性標(biāo)志物己逐漸成為腫瘤診斷中必不可少的檢測項(xiàng)目。外泌體中含有大量與來源細(xì)胞相關(guān)的核酸和蛋白質(zhì)，磷脂雙分子層可以保護(hù)其免被降解，又因?yàn)槠鋸V泛存在于體液中，容易獲得且檢測更加靈敏，因此可作為液體活檢的檢測靶點(diǎn)。外泌體具有一定的細(xì)胞特異性，攜帶大量與來源細(xì)胞相關(guān)的生物活性分子，這些特征性物質(zhì)在正常和病理?xiàng)l件下含量的差異具有衡量細(xì)胞生理狀態(tài)的潛力，因此外泌體在疾病的早期診斷中具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。目前常見的外泌體中分子檢測物質(zhì)包括蛋白質(zhì)、RNA和脂質(zhì)。Melo等人通過對大量胰腺癌患者的血清樣本分析發(fā)現(xiàn)，患者血清中富含多糖磷脂酰肌醇聚糖-1（GPC-1），這是一種胰腺癌病人中癌細(xì)胞來源的外泌體所特有的蛋白多糖，其能夠以百分百的敏感性和準(zhǔn)確性診斷出早期和晚期胰腺癌。Zhao等人將直接定量的方法應(yīng)用于臨床樣品并結(jié)合基于RNA的miRNA篩選分析，在轉(zhuǎn)移性乳腺癌患者中證實(shí)了血液中miR-106a的上調(diào)，表明miR- 106a是轉(zhuǎn)移性乳腺癌的潛在生物標(biāo)志物。Skotland等人通過比較前列腺癌患者和健康對照組志愿者中尿液外泌體脂質(zhì)成分的差異，首次發(fā)現(xiàn)外泌體脂質(zhì)在尿液中作為前列腺癌生物標(biāo)志物的潛在用途。

4.2藥物載體

由于人體存在保護(hù)機(jī)制，很多治療藥物不能穿過人體的血腦屏障，阻礙藥物輸送，并且有可能導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)。而外泌體作為新型藥物載體具有諸多優(yōu)勢：①外泌體是天然的，僅有納米級大小，與質(zhì)膜構(gòu)造非常相似，能夠跨越血腦屏障，避免被吞噬以及降低自身免疫反應(yīng);②外泌體能夠在生理和病理?xiàng)l件下實(shí)現(xiàn)在體內(nèi)的長距離運(yùn)輸，穩(wěn)定性好，因此可以將藥物運(yùn)送到特定細(xì)胞;③外泌體具有親水性，可以運(yùn)送水溶性藥物，也可以通過與脂質(zhì)融合運(yùn)送外源性疏水物質(zhì)。研究表明外泌體經(jīng)過適當(dāng)?shù)牡鞍仔揎椏梢匝娱L在血液中的循環(huán)時間，并靶向遞送藥物至肺癌細(xì)胞，提高肺癌患者的生存率。O' BRIEN研究團(tuán)隊(duì)通過工程化改造間充質(zhì)干細(xì)胞以分泌富含miR-379的外泌體用于乳腺癌的體內(nèi)治療，取得了很好的療效。此外，研究者在試圖解決神經(jīng)退行性疾病病理過程中發(fā)現(xiàn)外泌體可以作為治療的天然遞送載體，HaKatsu-da等人在研究中發(fā)現(xiàn)脂肪細(xì)胞衍生的間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體含有腦啡肽酶，能夠減少3-淀粉樣蛋白肽（ am-yloid3-protein，A[3）的聚集，從而減輕阿爾茨海默氏癥（ Alzheimer's disease，AD）的癥狀。

5 挑戰(zhàn)與展望

外泌體在生物細(xì)胞體系中廣泛存在，其生物學(xué)功能也漸漸被人們所發(fā)現(xiàn)，小小的外泌體竟然蘊(yùn)含著“大寶藏”！外泌體在疾病診斷和藥物送遞方面有著令人興奮的應(yīng)用前景，但是在研究的道路上還是存在著不少挑戰(zhàn)。首先，外泌體在研究過程中存在分離純化成本較高、操作復(fù)雜等問題;其次，檢測樣本中包含有許多與外泌體相似的組成，如細(xì)胞碎片和其他細(xì)胞外囊泡或微泡，會干擾鑒定的準(zhǔn)確性;最后，由于外泌體裝載藥物容量有限，使得靶細(xì)胞或靶器官的藥物濃度可能無法滿足治療需要。因此，研究更加高效的分離純化技術(shù)，提升檢測的靈敏度和特異性，是外泌體真正成為臨床生物標(biāo)志物必須跨越的障礙;優(yōu)化藥物的加載方式，研發(fā)精確、無副作用的靶向系統(tǒng)，是外泌體真正承擔(dān)臨床藥物運(yùn)輸載體必須面對的困難。相信隨著研究的深入和技術(shù)創(chuàng)新，外泌體將會為臨床疾病特別是腫瘤的診斷和治療提供新的思路和方案。

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