顶级期刊不用愁,外泌体最火热研发方向深度解读

2020-08-20 威斯腾生物 威斯腾生物

一文读懂外泌体目前最火热的研发方向。

近几年外泌体研发持续升温,全球科研大咖纷纷扎堆此领域,有关外泌体载药、诊断、免疫疗法等方向的文章陆续发表在Science、Nature等各大顶级期刊上,外泌体已成为生命科学/基础医学研究的一大热点。

外泌体是由哺乳动物细胞主动向胞外和体液中释放的纳米级双层囊泡小体,携带多种遗传物质,可通过自分泌或旁分泌途径被细胞吸收,也可经循环系统被远距离靶组织或器官所吸收,能参与机体多种生理和病理过程。

前面我们介绍了外泌体的结构、生理功能以及提取鉴定方法,这次小编就带大家探索一下外泌体目前最火热的研发方向。

外泌体于1983年首次在体外培养的绵羊红细胞上清液中发现且能被多种细胞分泌。最初外泌体被认为是细胞成熟过程中调节膜功能而释放的多余膜蛋白,是清除细胞碎片和淘汰细胞表面分子的细胞器。后来越来越多的研究发现,外泌体在介导炎症反应、细胞增殖、调节细胞外微环境和诱导机体免疫反应等方面都发挥着重要作用。如今,外泌体被认为是疾病的生物标志物和预后因子,另外还有潜力作为基因和药物递送的载体,具有重要的临床意义。

01 外泌体作为癌症的诊断和预后标志物

由于外泌体可以在体液(例如血液、尿液、唾液和脑脊髓液)中检测到,因此它们被认为是疾病诊断的无创或微创生物标志物,具有检测包括癌症在内的许多病理状况的潜力。

当前基因组医学的重点是发展基于个性化和精准医学的检测,所以使用体液(主要是血液和尿液)代替通过手术获得的组织样本进行诊断的液体活检正迅速受到关注,此方法方便且对患者伤害甚微。在液体活检中主要分析循环肿瘤细胞(CTC)、游离DNA(cfDNA)和外泌体。外泌体因稳定性高并易于从尿液或血液中收集,是开展液体活检的最佳候选者。

miRNA因在机体内起着调节作用被认为有诊断的生物标志物的潜力,外泌体miRNA富集的变化可反映生理病理的改变。肿瘤特异性循环外泌体miRNA已被开发为肺癌的早期诊断生物标记。据报道,miR-23b-3p,miR-10b-5p和miR-21-5p是非小细胞肺癌(NSCLC)患者有希望的预后生物标志物。

像miRNA一样,外泌体也包含来自宿主细胞的蛋白质,因此具有潜在的生物标志物来源。通过质谱分析外泌体的整个蛋白质组已经揭示了前列腺癌和膀胱癌中的各种生物标志物。一项涉及276名NSCLC患者的研究确定了外泌体中NY-ESO-1、EGFR、PLAP、EpCAM和Alix是整体生存的蛋白质生物标记物。使用细胞外囊泡阵列(EV Array)系统,由血浆衍生的外泌体已成功用于评估多标记模型,该系统由针对肺癌相关蛋白的37种抗体组成。该方法仅使用10μL血浆样品即可进行分析。除了miRNA、蛋白质外,来自癌症患者的外泌体lncRNA还被定义为新型肿瘤生物标记物。

基于外泌体的诊断

02 外泌体作为药物输送系统

外泌体由于其表面具有多种粘附蛋白已经成为基因治疗的潜在载体,纳米尺寸和柔韧性使它们能够跨越主要的生物屏障,如血脑屏障(BBB)等。

与脂质体制剂相反,外泌体是天然存在的分泌性膜囊泡,毒性较低,从它们在体内普遍存在可以推断出其在体内的耐受性很好。另外,外泌体固有的归巢能力暗示了它们在药物递送中的潜在效用。例如,源自黑色素瘤的外泌体优先进入前哨淋巴结,这种归巢能力可以用作药物的靶向递送。

Alvarez-Erviti等人研究发现DC衍生的外泌体可将siRNA传递给小鼠的大脑,继而推断出外泌体加载的药物或siRNA可以通过BBB。他们首先转导DC以表达外泌体膜蛋白LAMP2B,该蛋白能与神经元特异性RVG肽融合。纯化的DC外泌体中装有靶向BACE1(阿尔茨海默病的发病机理中的重要调控基因)的外源siRNA,然后将这些iExosome静脉注射到小鼠体内。这些外泌体特异性进入大脑中的神经元、小胶质细胞和少突胶质细胞,导致小鼠模型中BACE1基因敲低。这项研究证明了外泌体特异性全身递送的可行性,更重要的是,该研究表明外泌体可以通过生物屏障,表明了基于RNAi的新型脑肿瘤、脑转移瘤治疗的可能性。

外泌体天然适于运输蛋白质、mRNA、miRNA、各种非编码RNA、线粒体DNA以及基因组DNA,这使得它们可用于递送干扰RNA以及其他治疗性物质(如亲脂性小分子),已有研究将抗炎剂姜黄素、抗癌剂阿霉素和紫杉醇等装载到外泌体囊泡中用于相应疾病的治疗。基于外泌体的药物递送系统由于其内源性在癌症的治疗中具有极大优势,能使得免疫原性和毒性最小化。例如,一些研究表明,与其他递送系统相比,加载到外泌体中的阿霉素的治疗功效大大增强,并且对主要器官系统(尤其是心脏)的不良影响明显减少。

03 外泌体作为癌症免疫疗法

最近,免疫检查点疗法在几种癌症类型中的成功提高了人们对进一步探索肿瘤中免疫失调的兴趣,其中包括外泌体肿瘤免疫疗法,有望诞生抗癌疫苗。

肿瘤来源的外泌体携带抗原,并已被用作针对肿瘤的免疫反应的特异性刺激来源。Thery和他的同事在20年前的研究发现经爱泼斯坦-巴尔病毒转化的B细胞释放了包含主要组织相容性复合物(MHC)-II的外泌体,从而激活了CD4 + T细胞,而树突状细胞分泌的外泌体表达了MHC-I,从而激活了CD8 + T。随后的研究发现,这些外泌体可以在实验动物模型以及人体临床试验中诱导抗肿瘤免疫力,包括结肠直肠癌、转移性皮肤癌和非小细胞肺癌等。在小鼠中,肿瘤来源的外泌体可以作为抗原递送系统,并可以以CD4 +和CD8 + T细胞依赖性方式阻止自体肿瘤的发展。在I期临床试验中,晚期非小细胞肺癌或转移性黑色素瘤患者用树突细胞衍生的外来体接种显示出抗肿瘤免疫应答和肿瘤消退。最近的证据表明,在恶性神经胶质瘤患者中,负载有肿瘤外泌体的树突状细胞有效地产生了针对自体肿瘤细胞的抗肿瘤反应。

研究者认为,腹水来源的外泌体与树突细胞或肿瘤衍生的外泌体一样有效,可敏化树突细胞和主要的细胞毒性T淋巴细胞,从而在体外杀死自体肿瘤细胞。此外,从卵巢癌患者的恶性积液衍生的外泌体已经制备并将进行临床试验。Dai及其同事发现,结直肠癌患者的腹水来源外泌体与粒细胞巨噬细胞集落刺激因子联合可以有效地诱导晚期结直肠癌患者有效的CEA特异性抗肿瘤免疫力。

但是,肿瘤外泌体也表现出强烈的促肿瘤免疫反应。肿瘤细胞衍生的外泌体可以抑制T细胞和NK细胞活化且促进调节性T细胞功能,如携带PD-L1的癌细胞衍生的外泌体能抑制T细胞功能从而促进肿瘤生长。除了调节T细胞外,癌症来源的外泌体还能抑制DC的活性并促进骨髓来源的抑制细胞(MDSC)的扩增。研究发现胰腺癌衍生的外泌体通过miR-203下调TLR4表达来抑制DC细胞因子。肿瘤细胞来源的外泌体也刺激巨噬细胞向促进癌症的M2期极化。例如,乳腺癌衍生的外泌体通过糖蛋白130 / STAT3信号传导将巨噬细胞极化改变为M2期。

因此,外泌体在癌症中同时发挥免疫激活和免疫抑制功能。激活免疫的作用主要取决于外泌体的抗原呈递,而外泌体的免疫抑制作用主要取决于其携带的配体,如蛋白质和miRNA等,它们抑制细胞毒性T细胞的活性或促进免疫抑制细胞增值。了解这两种功能的潜在机制有益于靶向研究或利用外泌体治疗癌症。

外泌体在肿瘤免疫中的功能

04 外泌体的抑制

外泌体水平升高通常与不同类型的癌症恶化相关,一些研究人员希望能通过降低肿瘤外泌体到正常水平来防止不良预后。

从这个角度出发,许多正在进行的研究旨在通过调节外泌体生成分泌的过程或通过特异性靶向其成分抑制其与靶细胞的相互作用来调节外泌体的产生。

转化医学和临床医学中基于外泌体的诊断和治疗方法的各种策略 

如今我们对外泌体机制和不同生理和病理条件下的功能的理解呈指数级增长,虽然目前其生物学功能还未完全解析清楚,但研究者们在许多领域均已对其进行了深入探索。外泌体不是废物颗粒,而是细胞间通讯的关键介质,作为宿主细胞的卫星,外泌体包含大量的生物信息,其功能超出了最初的预期,宿主细胞控制着外泌体的内容物,从而改变了自己或其他细胞的命运。其次,外泌体对肿瘤的进展和转移有着强烈的影响,可以通过外泌体预测转移的部位并建立转移前的生态位。

另外,肿瘤细胞分泌的外泌体既可以通过促进抗肿瘤免疫反应来阻断肿瘤的生长,又可以通过减弱抗肿瘤免疫或促进血管生成来诱导肿瘤的生长。但在晚期,癌细胞衍生的外泌体显示出比免疫激活强得多的免疫抑制作用,基于携带抗原的外泌体疫苗也正在临床试验中。虽然将外泌体用于诊断以及治疗的研究仍处于起步阶段,但随着对外泌体更深入的了解和系统评价,外泌体作为载体结合基因治疗有着极大的临床应用潜力。

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  1. 2020-08-21 rayms

    外泌体领域越来越火,非常前沿,赞

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