外泌體最先于 1983 年被 R M Johnstone 等人在體外培養(yǎng)的綿羊網(wǎng)織紅細(xì)胞上清液中發(fā)現(xiàn)[1] 。然而，當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界認(rèn)為外泌體只是紅細(xì)胞的 “代謝廢物”。因此，在很長一段時(shí)間里，外泌體始終都是一個(gè)籍籍無名的 “細(xì)胞垃圾”。

直至 2013 年，James E. Rothman、Randy W. Schekman 以及 Thomas C. Südhof 三位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)胞囊泡 (外泌體等) 運(yùn)輸調(diào)控機(jī)制，榮獲諾貝爾生理/醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，讓世界重新認(rèn)識(shí)到外泌體這個(gè)自由穿梭于細(xì)胞間的運(yùn)貨小能手~

小 M 也為大家整理過外泌體的實(shí)驗(yàn)研究套路，可參考往期推文：外泌體，頂刊新寵丨一文 get 研究套路！

言歸正傳！外泌體 (Exosome) 是一種由細(xì)胞分泌到細(xì)胞外的囊泡 (圖 1)，直徑為 40-150 nm，幾乎能從所有細(xì)胞 (無論是原核細(xì)胞還是真核細(xì)胞) 中釋放，廣泛存在于各種生物體液 (血液、尿液、精液、唾液、母乳、腦脊液以及膽汁等) 中。

 

圖 1. 外泌體的結(jié)構(gòu)及功能^[2]。 

外泌體裝載著各種細(xì)胞成分 (包括蛋白質(zhì)、脂類、核酸、糖類、細(xì)胞器等)，頻繁穿梭于細(xì)胞間，將貨物分子運(yùn)送到正確目的地，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間信號(hào)傳遞。并且，外泌體大小不一，成分各異，能發(fā)揮不同的生物活性。
初次接觸外泌體的小伙伴們是不是很難捋清外泌體與各種囊泡的關(guān)系？是否被各種五花八門的囊泡縮寫搞得頭疼？為方便各位更好進(jìn)食本文，小 M 整理出一份外泌體相關(guān)囊泡的區(qū)分清單 (表 1)，請(qǐng)保存使用哦~

 

 

目前，主流觀點(diǎn)認(rèn)為外泌體的產(chǎn)生過程為：細(xì)胞膜內(nèi)陷形成內(nèi)體，內(nèi)體通過二次內(nèi)陷形成細(xì)胞內(nèi)多泡體 (MVBs)，最后 MVBs 與細(xì)胞質(zhì)膜融合，以胞吐的方式將 MVBs 的腔內(nèi)囊泡 (ILVs) 分泌到細(xì)胞外，成為外泌體 (圖 2)。

▐  外泌體的生物發(fā)生
1) ESE 與 LSE 形成
細(xì)胞外成分，如蛋白質(zhì)、脂類、代謝物、小分子和離子 (圖 2)，可通過內(nèi)吞和質(zhì)膜內(nèi)陷與細(xì)胞表面蛋白質(zhì)一起進(jìn)入細(xì)胞，并在細(xì)胞腔側(cè)出芽形成早期分選內(nèi)體 (ESE)，或使萌芽與由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、反式高爾基體網(wǎng)絡(luò) (TGN) 和線粒體等成分形成的 ESE 融合 (ESE 也可與 ER 和 TGN 融合)。ESE 又可進(jìn)一步形成晚期分選內(nèi)體 (LSE)。

2) ILVs 與 MVBs 形成

LSE 充盈著各種內(nèi)含物 (蛋白質(zhì)、核酸、脂類等)，所以，當(dāng) LSE 膜內(nèi)陷時(shí)，混合、隨機(jī)地包裹內(nèi)含物，形成多個(gè)腔內(nèi)囊泡 (ILVs)。也就是說，根據(jù)內(nèi)陷量，該過程會(huì)產(chǎn)生具有不同內(nèi)含物和不同大小的 ILVs。LSE 膜內(nèi)陷剩余的膜作為外膜，使形成的 ILVs 集中在 LSE 腔內(nèi)，也即，LSE 進(jìn)一步形成了細(xì)胞內(nèi)多泡體 (MVBs)。簡單來說，ILVs 是在 MVBs 中形成的。

3) 外泌體形成

MVBs 可與自噬體融合，最終其內(nèi)容物可在溶酶體中降解 (MVBs 也可以直接與溶酶體融合進(jìn)行降解)，降解產(chǎn)物可被細(xì)胞回收利用。此外，MVBs 也可通過細(xì)胞骨架和微管網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸?shù)劫|(zhì)膜，并在 MVBs 對(duì)接蛋白的幫助下與質(zhì)膜融合，通過胞吐作用，將 MVBs 的 ILVs 分泌到細(xì)胞外成為外泌體。

圖 2. 外泌體的內(nèi)含物和生物發(fā)生^[2]。 

▐  外泌體具有異質(zhì)性
前面說到，LSE 通過膜內(nèi)陷產(chǎn)生內(nèi)含物各異的 ILVs，ILVs 被 MVBs 分泌到細(xì)胞外從而成為外泌體。然而，MVBs 外膜內(nèi)陷不均勻，會(huì)使外泌體內(nèi)含物不一致。并且，MVBs 也可與其他 ILVs 和細(xì)胞器融合，從而導(dǎo)致外泌體成分的多樣性。此外，根據(jù)來源細(xì)胞的不同，外泌體的內(nèi)含物也會(huì)產(chǎn)生差異。簡單來說，外泌體具有異質(zhì)性。

圖 3. 外泌體異質(zhì)性^[2]。

外泌體的異質(zhì)性可根據(jù)其大小、內(nèi)容物、對(duì)受體細(xì)胞的功能性影響以及來源細(xì)胞來進(jìn)行概念化 (圖 3)。這些特征的不同組合所形成的外泌體在生物體內(nèi)會(huì)展示出不同的生物活性。
 

目前，外泌體在疾病診斷、治療以及藥物遞送三個(gè)方面，都展現(xiàn)出較好的研究潛力 (圖 4)。

圖 4. 外泌體的三個(gè)主要研究方向^[6]。 

 
▐  外泌體：疾病診斷標(biāo)志物
外泌體是細(xì)胞 (包括癌細(xì)胞) 釋放到周圍生物流體中的小囊泡。這些外泌體含有源自腫瘤的物質(zhì)，如 DNA、RNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖結(jié)構(gòu)和代謝物。因此，在病理微環(huán)境下產(chǎn)生的外泌體能夠捕獲特定疾病階段或損傷所特有的復(fù)雜細(xì)胞內(nèi)分子特征，是一個(gè)極具潛力的生物標(biāo)志物庫。
重要的是，從血液或其他生物流體中分離出的腫瘤中過度表達(dá)的蛋白質(zhì)并不一定具有癌癥特異性。非癌癥組織也能產(chǎn)生相同的標(biāo)志物，并在正常人體內(nèi)產(chǎn)生不同數(shù)量的標(biāo)志物。而通過用組織特異性 (或癌癥特異性) 標(biāo)志物富集外泌體，可以獲得更高的靈敏度和/或特異性。
外泌體作為疾病診斷標(biāo)志物的優(yōu)勢：
1) 廣泛存在于各種生物流體中，并非常穩(wěn)定;
2) 可在疾病早期階段進(jìn)行診斷 (外泌體在腫瘤形成的各個(gè)階段從細(xì)胞中主動(dòng)釋放出來);
3) 可實(shí)現(xiàn)癌癥特異性標(biāo)志物的富集 (圖 5);
4) (液體活檢相較于組織活檢) 創(chuàng)傷小、成本低、可實(shí)時(shí)了解腫瘤狀態(tài);
5) 相較于組織活檢，可減少患者取樣痛苦;
6) 易儲(chǔ)存：冷凍、冷凍干燥或噴霧干燥。

相較于傳統(tǒng)的組織活檢，基于外泌體的液體活檢具有更高的應(yīng)用價(jià)值。目前，首個(gè)基于外泌體 RNA 的前列腺癌檢測方法也已問世[7]。

▐  外泌體：良好的疾病治療潛力
從多種細(xì)胞中提取的外泌體可通過各種途徑與靶細(xì)胞相互作用，包括內(nèi)吞、直接結(jié)合、吞噬和直接融合，從而產(chǎn)生特定的治療效果。比如，Jeongyeon Heo 等人研究發(fā)現(xiàn)，外泌體在不同細(xì)胞類型 (包括內(nèi)皮細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞和巨噬細(xì)胞) 之間進(jìn)行物質(zhì)交換可改善動(dòng)脈粥樣硬化[9]。
此外，外泌體在癌癥、神經(jīng)退行性疾病、代謝性疾病以及免疫與炎癥等疾病中也具有生物活性。
▐  外泌體：天然的藥物遞送載體
外泌體可被修飾以靶向特定細(xì)胞，能負(fù)載多種類的藥物，并具有優(yōu)越的穿透各種組織屏障的能力 (比如血腦屏障)，是優(yōu)良的天然藥物遞送載體。
相較而言，外泌體表現(xiàn)出比脂質(zhì)納米顆粒 (LNP) 更低的免疫原性，毒性也顯著降低 (表 2)。外泌體也表現(xiàn)出更好的藥物封裝、控釋以及體內(nèi)生物分布能力。此外，外泌體在腫瘤細(xì)胞內(nèi)的粘附性和內(nèi)化性比同等大小的脂質(zhì)體高 10 倍，這說明，外泌體對(duì)癌癥的靶向性更高。

外泌體作為藥物遞送載體的潛力已被大量研究證實(shí)。Menghui Zhang 等人的臨床前研究顯示，工程外泌體能夠高效、精確地將抗腫瘤藥物遞送到小鼠腫瘤部位，并減少了與治療相關(guān)的不良反應(yīng) (圖 6)[11]。

圖 6.  臨床前模型中顯示抗腫瘤效果的工程外泌體示意圖^[11]。 

如圖 6 所示，靜脈注射后，攜帶藥物分子的工程外泌體在多種靶向分子的引導(dǎo)下到達(dá)腫瘤部位。然后，化療藥物 (如 PTX)、ncRNA (如 miR-551-3p)、免疫分子 (如 siPDL1) 被釋放到腫瘤微環(huán)境 (TME) 中。最終，工程外泌體的內(nèi)化導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞死亡。
 

本期推文為大家詳細(xì)介紹了外泌體的特點(diǎn)、生物發(fā)生過程以及三大研究方向：疾病的診斷、治療以及藥物遞送。外泌體研究領(lǐng)域極其廣泛，在癌癥、免疫反應(yīng)、心血管疾病、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病等領(lǐng)域都有深入的研究。掌握外泌體的研究方法，會(huì)讓我們發(fā)現(xiàn)外泌體的更多可能！
 

---

 

外泌體化合物庫 收錄了 40+ 種具有激活或抑制外泌體分泌的化合物，是外泌體研究的有用工具。

GW4869 非競爭性的中性鞘磷脂酶 (N-SMase) 抑制劑，IC50 值為 1 μM；是外泌體合成/釋放的抑制劑。

Lansoprazole 質(zhì)子泵抑制劑，能抑制胃酸生成；是中性鞘磷脂酶 (N-SMase) 的抑制劑 (外泌體抑制劑)。

Exosome Isolation and Purification Kit (from cell culture media) 細(xì)胞上清外泌體提取純化試劑盒。

MOG (35-55) (TFA)Exosome Isolation and Purification Kit (from plasma and serum) Tipifarnib (IND 58359) 抑制法尼基轉(zhuǎn)移酶 (FTase)，IC50 為 0.86 nM。Tipifarnib 具有潛在抗腫瘤和抗寄生蟲活性。

Tipifarnib 法尼基轉(zhuǎn)移酶 (FTase) 抑制劑，IC50 為 0.86 nM；具有潛在抗腫瘤活性；是外泌體 (exosome) 生成和/或分泌的有效抑制劑。 U-104 有效的碳酸酐酶 (CA) 抑制劑；有效的外泌體 (exosome) 抑制劑，IC50 為 0.2 μM。

[1] Pan BT, et al. Fate of the transferrin receptor during maturation of sheep reticulocytes in vitro: selective externalization of the receptor. Cell. 1983 Jul;33(3):967-78.
 
[2] Kalluri R, et al. The biology, function, and biomedical applications of exosomes. Science. 2020 Feb 7;367(6478):eaau6977.
 
[3] EL Andaloussi S, et al Extracellular vesicles: biology and emerging therapeutic opportunities. Nat Rev Drug Discov. 2013 May;12(5):347-57.
 
[4] Cocozza F, et al. SnapShot: Extracellular Vesicles. Cell. 2020 Jul 9;182(1):262-262.e1.
 
[5] Chen B, et al. Endocytic sorting and recycling require membrane phosphatidylserine asymmetry maintained by TAT-1/CHAT-1. PLoS Genet. 2010 Dec 9;6(12):e1001235.
 
[6] Escudé Martinez de Castilla P, et al. Extracellular vesicles as a drug delivery system: A systematic review of preclinical studies. Adv Drug Deliv Rev. 2021 Aug;175:113801.
 
[7] Li Y, et al. A Novel Urine Exosomal lncRNA Assay to Improve the Detection of Prostate Cancer at Initial Biopsy: A Retrospective Multicenter Diagnostic Feasibility Study. Cancers (Basel). 2021 Aug 13;13(16):4075.
 
[8] Yu W, et al. Exosome-based liquid biopsies in cancer: opportunities and challenges. Ann Oncol. 2021 Apr;32(4):466-477.
 
[9] Heo J, et al. Exosome-Based Treatment for Atherosclerosis. Int J Mol Sci. 2022 Jan 17;23(2):1002.
 
[10] Shimon MB, et al. The Big Potential of Small Particles: Lipid-Based Nanoparticles and Exosomes in Vaccination. Vaccines (Basel). 2022 Jul 13;10(7):1119.
 
[11] Zhang M, et al. Engineered exosomes from different sources for cancer-targeted therapy. Signal Transduct Target Ther. 2023 Mar 15;8(1):124.