生物界扛把子-外泌体前世今生及应用前景

1、外泌体的前世今生

    1983年在哺乳动物细胞中首次发现动物外泌体，刚开始并未得到重视，甚至认为它是“排泄废物”，但随着研究的深入，科研者逐渐发现，它小小的身躯却蕴含着大大的能量。近些年，外泌体被赋予了各种标签：医学美容，医学诊断，医学用药，全球科研团队纷纷扎堆此领域，有关外泌体研究方向的文章陆续发表在Science、Nature等各大顶级期刊上。全球外泌体研究市场规模持续增长，2024年全球外泌体研究市场规模预计达1.9亿美元，并预计将以31.5%的复合年增长率增长。这一增长主要得益于北美地区完善的医疗保健基础设施、有效的公共法规以及数量可观的跨国企业等因素的推动。

    外泌体有望成为未来医学发展的下一个风向标。

图1.外泌体文献发表统计（数据来源pubmed）

    外泌体可以直接反映组织细胞的变化；包含蛋白质，RNA，脂质等信息，同时，可以揭示更多的分子变化；脂质双分子层包裹内容物，让其免受细胞外酶降解；而且，外泌体几乎存在于所有的体液中，便于获取；虽然只有100多nm，但它携带了超级多的信息，目前研究发现，外泌体可以携带着4563种蛋白质，1639种mRNA和764种mRNAs，194种脂类和反映细胞起源类型的代谢产物。美国NIH资助了很多非肿瘤领域的外泌体标志物研究，除了肿瘤，外泌体作为其他疾病标志物的研究也越来越多，包括糖尿病、肝病、病毒感染、呼吸系统疾病、妊娠相关疾病、神经疾病、衰老以及环境、吸烟、运动等外界因素导致的机体变化等。

图2.外泌体来源

 

2、外泌体应用

（1）疾病治疗-阿尔茨海默症

    上海交通大学医学院附属瑞金医院王刚教授团队完成并发布采用间充质干细胞来源的外泌体喷鼻治疗阿尔茨海默病的国际首个临床试验（Clinical Trial NCT04388982），该研究成果发表于General Psychiatry，论文标题为“Clinical safety and efficacy of allogenic human adipose mesenchymal stromal cells-derived exosomes in patients with mild to moderate Alzheimer‘s disease: A phase I/II clinical trial”。阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是最常见的神经退行性疾病，也是痴呆最常见的病因，目前尚无有效的治愈手段，使之成为威胁老年人生活质量的重大健康杀手。合作团队前期研究表明在小鼠模型中，来自健康志愿者的人脂肪衍生的间充质干细胞外泌体（ahaMSC-Exos）鼻内给药可改善AD病理状态及空间记忆。为了探索ahaMSC-Exos的临床应用及治疗的可能性，王刚教授团队开展了国际首个外泌体喷鼻治疗AD临床试验（Clinical Trial NCT04388982），验证其在AD患者中通过鼻内给药的安全性和有效性。这项试验是国际首次尝试将MSCs分泌的外泌体应用于临床治疗AD，为AD的治疗带来了希望。结果表明，中等剂量组受试者ADAS-cog评分在第12周下降了2.33（1.19），MoCA-B评分增加了2.38（0.58），表明认知功能有所改善，同时也证明了ahaMSCs-Exos经鼻内给药治疗AD是安全的，至少可选择4×10^⁸剂量进行更大规模的多中心临床试验。

图3. 临床试验的研究设计

 

（2）诊断领域

    外泌体中的RNA或蛋白质成分可以作为新型的生物标志物，用于诊断各种疾病。由于外泌体稳定携带细胞生物标志物，且易于采集、储存和在体内输送，因此在疾病诊断方面具有巨大潜力。适合做生物标志物分子有：DNA，RNA，蛋白质，脂质，肽段，代谢产物，聚糖等。前期搜集临床样本的时候需要注意几个点：

    ♦临床基本信息：年龄、性别、民族、妊娠、患病史、用药史、是否服用抗凝剂、其他研究相关项目；

    ♦采集信息：获取时间、是否溶血、采血后处理前保存温度时间、采血管类型、针头类型；处理保存信息

    ♦标本类型：是否有多种体液配对标本、离心力、离心时间、收集上清的体积、冻融次数、长期保存温度。

    优势：

    （1）无创，有望作为病情监测标志物；

    （2）更全面的反应肿瘤情况；

    （3）灵敏度高且血清干扰较少；

    （4）存在于多种体液中；

    （5）脂质双层膜保护作用，分子更稳定，

    （6）易于保存。

图4.外泌体作为生物标志物申请的专利（部分统计）

 

（3）药物递送

    外泌体具有天然细胞膜包裹的特性，可以用于药物递送。这种递送方式可以提高药物的稳定性、生物可利用性和靶向作用，同时减少毒副作用。这为开发新型药物递送系统提供了新思路。内容物负载是让外泌体装载蛋白质、核酸、小分子化合物等药物。负载方式主要是主动运输和被动扩散。被动结合相对简单而且可以保持外泌体的形态，但装载效率较低，主要通过浓度梯度差将药物扩散到外泌体内。主动结合方式需要暂时破坏细胞膜，使药物很容易进入外泌体的内部。在药物扩散后，外泌体的膜重新恢复，常用方法是电穿孔和超声方法。目前外泌体药物装载除了哺乳动物细胞来源的外泌体之外，植物来源外泌体也开始逐步被深入研究。

    植物外泌体样纳米囊泡（plant exosome-like nanovesicles, PELNVs）富含各种具有生物活性的脂质、蛋白质、RNA等成分，是天然的纳米制剂，因此可作为低毒的纳米载体实现对外源性药物分子的递送。与哺乳动物来源和人工合成的纳米囊泡相比，基于PELNV的药物递送纳米平台在生物相容性、稳定性、体内分布、延长半衰期和细胞内化等方面都表现出显著的优势。此外，PELNVs还具有体积小、组织穿透性强等优点，在不同的酸碱度和温度下都能维持较好的理化稳定性。由于植物原料来源广泛，且原料成本低廉，通过多步差速离心法联合蔗糖密度梯度离心法获得的PELNVs的产量较高， 这非常有利于PELNVs在应用中的大规模批量生产，统计数据显示一般100g 植物原料可以提取320-450 mg的PELNVs 。所有这些特征都使得PELNVs成为经皮递送、靶向给药、基因传递等药物递送中较理想的载体选择，具有广阔的应用前景。

    陈振团队在期刊《Journal of Nanobiotechnology》发表了一篇名为“Encapsulation and assessment of therapeutic cargo in engineered exosomes: a systematic review”的文章，作者总结了当前工程外泌体和评估其药物递送作用的方法，并严格审查了当前评估外泌体药物负载和释放动力学、细胞靶向、生物分布、药代动力学和治疗结果的技术，并综合了外泌体工程和药物递送在临床转化中的最新应用。

图5. 用于治疗应用的工程外泌体过程概述

 

（4）医学美容

    目前医学美容的方式有很多，比如通过：注射透明质酸和肉毒杆菌毒素来修复脸部形态和功能，但会存在一定的副作用，如脸部僵硬，异物感增加。而外泌体凭借其免疫原性较低、组织穿透力较强等特性，逐渐获得医疗美容行业的关注。目前外泌体在功能性护肤和抗衰、再生修复等轻医美项目中较为火热，具有减小肌龄、改善肤质和改变肤色等作用。

    外泌体能够促进成纤维细胞的迁移和增殖，重新激活肌肤自身的修复机制，恢复因紫外线照射而减少的弹性蛋白和纤连蛋白，同时有效减少自由基（ROS）的生成，从根源上减缓肌肤老化的步伐。还可以通过促进胶原蛋白的合成和纤维细胞的活化，外泌体注射有助于减少皮肤上的细纹和皱纹，使皮肤更加紧致和年轻。

    在文献：Extracellular Vesicles in Facial Aesthetics: A Review中，作者总结了细胞外囊泡（EV） 的最新研究，报告了在面部美学中的应用，包括去除疤痕、面部年轻化、抗衰老和抗色素沉着。还讨论了 EV 的高级递送策略、植物 EV 的治疗潜力以及使用 EV 改善皮肤状况的临床研究，EV 疗法可以减少疤痕形成，使老化的皮肤恢复活力，并减少色素沉着。这些观察结果为基于 EV 的化妆品的开发提供了依据。

图6. 细胞外囊泡概述

 

（5）再生医学

    外泌体在再生医学领域也展现出广泛应用前景。它们具有多种再生能力，包括修复组织损伤、促进血管生成、增强免疫功能等。例如，外泌体可促进软骨修复和生长，用于治疗软骨缺损等骨科疾病；还可通过转移关键蛋白和细胞信号分子来促进肝细胞生长和修复，进而在肝损伤治疗方面发挥重要作用。

    山东大学陈丽：从抗菌水凝胶释放的糖工程化细胞外囊泡通过促进血管生成来加速糖尿病伤口愈合Wang, K., et al. (2024). "Glycoengineered extracellular vesicles released from antibacterial hydrogel facilitate diabetic wound healing by promoting angiogenesis."
J Extracell Vesicles 13(11): e70013.IF=15.5

    糖尿病伤口由于血管生成受损和持续感染，已成为全球医学难题。尽管细胞外囊泡（EVs）可以改善糖尿病伤口，但其靶向能力有限。该研究探讨了一种新型水凝胶敷料在治疗感染性糖尿病伤口中的表现，该水凝胶由甲基丙烯酰基明胶、糖工程化EVs和聚赖氨酸组成。高通量单细胞RNA测序（scRNA-seq）和免疫荧光染色显示，糖尿病伤口中E-选择素（SELE）水平高于非糖尿病伤口。间充质基质细胞（MSCs）通过含有岩藻糖基转移酶VII（FUT7）和CD63-P19-Nluc载体的慢病毒进行转染，以增强衍生自转染MSC（s-MSCs）的EVs（s-EVs）表面E-选择素配体唾液酸化Lewis X（sLeX）的表达。在脂多糖刺激下，s-EVs可以靶向人脐静脉内皮细胞（HUVECs）并在体外促进受刺激HUVECs的功能。为了促进和持续释放s-EVs，作者制备了一种具有良好抗菌能力、生物相容性和机械性能的甲基丙烯酰基明胶（Gel）/聚-L-赖氨酸甲基丙烯酰基（PL）-5水凝胶。在小鼠实验中，s-EV@Gel/PL-5表现出优异的血管生成和抗炎能力，并进一步促进了感染性糖尿病伤口的愈合。研究结果展示了s-EV@Gel/PL-5水凝胶在临床治疗糖尿病感染性伤口中的潜力。

图7. 水凝胶在感染的糖尿病伤口上的应用

 

3、未来发展趋势

    外泌体虽然发展前景广阔，但是也是挑战和机遇并存：

    挑战：尽管外泌体在多个领域展现出巨大潜力，但目前仍存在一系列挑战和问题。例如，外泌体的稳定性、纯度和质量等方面的问题需要进一步研究和解决；此外，外泌体在再生医学领域的应用还处于研究阶段，需要在临床试验中进一步验证和评估。

    机遇：随着对外泌体研究的不断深入和技术的不断进步，外泌体有望在更多领域得到应用和推广。例如，在癌症治疗方面，通过外源性沉默或激活外泌体miRNA可能为癌症治疗提供新途径；在自身免疫性疾病治疗方面，外泌体因其促进细胞增殖和分化的能力而备受关注；此外，在神经退行性疾病治疗等方面，外泌体也展现出巨大潜力。

    外泌体之所以火爆，主要得益于其在基础研究、临床应用前景、市场与发展趋势以及挑战与机遇等方面的综合表现。未来，随着对外泌体生物来源、物质构成及运输机制等研究的深入，以及外泌体在疾病诊断、药物递送和再生医学等领域应用的不断拓展，外泌体有望在更多领域发挥重要作用并为人类健康事业做出更大贡献。