【文獻精選–文獻精讀】

The biology,?function,?and biomedical applications of exosomes

細胞外囊泡 (EV) 的研究有可能確定細胞間通訊以及器官穩態和疾病中未知的細胞和分子機制。平均直徑約為 100 納米的外泌體是 EV 的一個子集。外泌體的生物發生涉及它們起源——核內體，隨后與其他細胞內囊泡和細胞器的相互作用產生外泌體的最終內容物。它們的多種成分包括核酸、蛋白質、脂質、氨基酸和代謝物，這些可以反映它們的細胞來源。外泌體為細胞或組織狀態的改變提供了一個窗口，在生物體液中檢測外泌體可能提供多組分診斷讀數。細胞成分通過外泌體的有效交換可以告知它們在設計基于外泌體的治療方法中的應用。

外泌體在人體內具有多效性功能的細胞間轉運系統。外泌體是由所有細胞產生的細胞外囊泡，它們攜帶核酸、蛋白質、脂質和代謝物。它們是健康和疾病中近距離和遠距離細胞間通訊的介質，影響細胞生物學的各個方面。

外泌體的研究是一個活躍的研究領域。持續的技術和實驗進展可能會產生關于它們的異質性和生物學功能的寶貴信息，并增強我們利用其治療和診斷潛力的能力。

EV 作為液體活檢的用途特別有前途，因為它們存在于所有生物體液中并且具有進行多組分分析的潛力。盡管 EV 的分類在不斷發展，但它們通常分為兩大類，即胞外體和外泌體（圖 1)。

圖1：胞外體和外泌體的特性和異質性

EV?的兩大類是胞外體和外泌體。胞外體通過質膜出芽釋放，大小范圍為?50 nm?至?1 μm。外泌體起源于內體途徑，通過形成?ESE、LSE?和最終包含?ILV?的?MVB。當?MVB?與質膜融合時，會釋放外泌體（大小范圍約為?40?至?160 nm）。外泌體可以是高度異質的群體，具有誘導復雜生物反應的獨特能力。外泌體的異質性可以根據它們的大小、含量、對受體細胞的功能影響和起源細胞（來源）來概念化。這些特征的不同組合導致外泌體的復雜異質性。

外泌體的產生過程涉及質膜的雙重內陷和含有腔內囊泡 (ILV) 的細胞內多泡體 (MVB) 的形成。通過 MVB 融合到質膜和胞吐作用，ILV 最終被分泌為直徑約為 40 至 160 nm 的外泌體（圖 1 ）。質膜的第一次內陷形成一個杯形結構，其中包括細胞表面蛋白和與細胞外環境相關的可溶性蛋白（圖 2）。

圖?2：外泌體的生物發生和鑒定

流體和細胞外成分，如蛋白質、脂質、代謝物、小分子和離子，可以通過內吞作用和質膜內陷作用與細胞表面蛋白一起進入細胞。由此產生的細胞腔側質膜芽形成呈現出由外向內的質膜方向。這種出芽過程導致?ESE?的形成或可能與由內質網?(ER)、跨高爾基體網絡?(TGN)?和線粒體的成分預先形成的?ESE?融合。ESE?也可以與?ER?和?TGN?融合，這可能解釋了內吞物如何到達它們。因此，一些?ESE?可以包含可以代表不同來源的膜和管腔成分。ESE?產生?LSE。LSE?的第二次內陷導致?ILV?的產生，這一步可以導致未來外泌體的貨物進一步修飾，細胞質成分進入新形成的?ILV。作為?ILV?形成的一部分，蛋白質（最初位于細胞表面）可以在?ILV?中明顯分布。根據內陷體積的不同，該過程可能會產生具有不同內容的不同大小的?ILV。LSE?產生具有定義的?ILV（未來外泌體）集合的?MVB。MVB?可以與自噬體融合，最終內容物可以在溶酶體中降解。降解產物可以被細胞回收。MVB?還可以直接與溶酶體融合進行降解。不遵循此軌跡的?MVB?可以通過細胞骨架和微管網絡轉運至質膜，并在?MVB?對接蛋白的幫助下停靠在質膜的腔側。隨后發生胞吐作用并導致釋放具有與質膜相似的脂質雙分子層取向的外泌體。幾種蛋白質與外泌體生物發生有關，包括?Rab GTPases、ESCRT?蛋白，以及其他也用作外泌體標記的蛋白質（CD9、CD81、CD63、flotillin、TSG101、神經酰胺和?Alix）。外泌體表面蛋白包括四跨膜蛋白、整合蛋白、免疫調節蛋白等。外泌體可以包含不同類型的細胞表面蛋白、細胞內蛋白、RNA、DNA、氨基酸和代謝物。

圍繞外泌體功能的問題主要集中在了解其成分的命運以及它們在細胞培養系統中對受體細胞誘導的表型和分子改變。外泌體攝取和分泌途徑可能相交，導致隨著時間的推移，對于由內源性產生和回收的外泌體組成的任何給定細胞，都會產生混合的外泌體群體（圖 3 ）。

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圖?3：內化外泌體和內源性外泌體的細胞旅程

外泌體可以通過不同的機制直接進入細胞（紅色），細胞通過胞吞過程從頭生成外泌體（藍色）。外泌體不斷地被細胞產生和吸收。很可能它們可以作為從頭生成和消耗的外泌體（紅色和藍色）的混合物分泌。目前尚不清楚內源性外泌體的釋放是一起發生還是分開發生。被攝取的外泌體會被溶酶體降解。進入細胞的外泌體可能進入或與預先存在的?ESE?融合，隨后分解并將其內容物釋放到細胞質中?；蛘?，核內體可以與質膜融合并在細胞外釋放外泌體。

人類生殖、懷孕和胚胎發育需要精確、微調和動態的細胞間通訊。精液、羊水、血液和母乳都含有具有假定功能的外泌體。精漿外泌體與精子成熟有關。分子譜分析表明 microRNAs let-7a、let-7b、miR-148a、miR-375 和 miR-99a 在來自多個人類供體的精漿來源的外泌體中富集。這些 miRNA 與白介素（IL-10 和 IL-13）的表達有關，增加了外泌體在生殖器駐留免疫中發揮作用的可能性。精漿來源的外泌體也能抑制 HIV-1 感染，可能是通過阻斷 HIV 早期蛋白轉錄激活因子 (Tat) 募集和隨后的 HIV-1 轉錄（圖 4）。

圖?4：病毒感染中的外泌體

外泌體可以限制或促進病毒感染。IFNα?或?APOBEC3G?等外泌體貨物可以通過限制病毒復制或增強抗病毒免疫力來抑制感染。病毒還可以劫持外泌體生物發生機制以促進病毒傳播。外泌體可作為假包膜，通過四跨膜蛋白（CD81、CD9）和?PtSer?相互作用增強病毒進入受體細胞，并有助于逃避抗病毒免疫。病毒成分（蛋白質和?miRNA）的共轉運也可以增強傳染性。外泌體介導的病毒轉移可能參與病毒遺傳協同性和感染多樣性。

外泌體在免疫反應中的作用已被廣泛記錄，但應該指出的是，在長時間反復給予相對低劑量的小鼠或人類細胞來源的外泌體的小鼠中，沒有觀察到嚴重的免疫反應。盡管如此，最近對工程化外泌體進行的實驗表明，外泌體在引發適應性和先天性免疫反應方面具有功能，支持它們在治療開發中的效用，以及在協調免疫反應以應對感染因子或癌癥方面的潛在作用（圖 5?）。外泌體在免疫調節中的功能可能是由于抗原肽的轉移和呈遞，在受體細胞中傳遞DNA誘導的cGAS-STING(干擾素基因環GMP-AMP合成酶刺激物)信號(一種免疫途徑，其中細胞質DNA的感知觸發炎癥基因的表達和I型IFN反應)，外泌體 miRNA 的基因表達操縱，以及外泌體上存在的表面配體誘導不同的信號通路。

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圖5：外泌體對免疫反應的調節

來自不同細胞來源的外泌體，包括免疫細胞（B?細胞和樹突細胞）、癌細胞、上皮細胞和間充質細胞，脫落的外泌體可以影響先天免疫系統和適應性免疫系統受體細胞增殖和各自的活性。CD4 +和?CD8 + T?細胞?[細胞毒性?T?細胞?(CTL)]?可以直接或間接地受到外泌體的影響，刺激或抑制它們的增殖和功能。

此外，外泌體與疾病的研究表明：

1.?外泌體可能在代謝性疾病的出現以及心血管健康中發揮作用。

2. 外泌體生物發生和神經元細胞中分泌小泡的調節之間的交集為外泌體和神經退行性疾病的發病機制之間假定的聯系提供了新的見解。

3. 與研究外泌體在其他疾病中的作用相比，外泌體在癌癥中的研究進展迅速，而且外泌體與癌癥的幾個主要特征有關。外泌體影響腫瘤、腫瘤生長和轉移、副腫瘤綜合征和治療耐藥性。外泌體在癌癥進展中的作用可能是動態的，并且與癌癥的類型、遺傳學和分期有關。

圖?6：治療性外泌體的細胞攝取

從樹突細胞、成纖維細胞和間充質細胞中分離出的治療性外泌體可以對靶細胞產生特定作用，包括新抗原呈遞、免疫調節和藥物有效載荷遞送。治療性外泌體對靶細胞的影響可能受到不同的進入或相互作用機制的控制。完整外泌體的進入可能涉及受體介導的內吞作用、網格蛋白包被的凹坑、脂筏、吞噬作用、小窩和巨胞飲作用。外泌體內容物的進入，或外泌體誘導信號，可能涉及配體–受體誘導的細胞內信號或融合，以將外泌體內容物沉積到細胞質中。

盡管有趣的外泌體生物學在很大程度上通過細胞培養系統得以闡明，但仍需要使用小鼠模型和生理學相關實驗條件進行實驗。據報道，外泌體可誘導細胞發生分子改變，但由于使用了細胞培養來源的外泌體的超生理數量，因此這些觀察結果是否具有相關性仍然存在問題，通常還需要更精確的分離和表征程序。隨著我們對 EV 的異質性、它們的貨物和功能的了解的發展，對外泌體的精確和準確表征的需求將繼續增長。將超生理水平的外源性外泌體推注劑量注入小鼠體內與滲透性細胞表型相關，包括調節癌癥進展、誘導瘤形成和組織再生。目前尚不清楚外泌體的未操縱生理水平是否在體內發揮調節穩態或病理功能（或兩者都不發揮）。該領域迫切需要動物模型來研究外泌體的生物發生、運輸和細胞進入。果蠅、秀麗隱桿線蟲、非洲爪蟾和斑馬魚模型可能提供更多見解。

外泌體是由細胞產生的，外泌體是由細胞產生的，但人們很想知道它們是否與促進第一個原始細胞產生的早期原始粒子有關。外泌體是否可以生長和分裂，以及在合適的環境下參與信號事件和自主生化反應仍有待確定。外泌體和逆轉錄病毒之間的相似性也增加了外泌體可能作為先于單細胞生物體的原始粒子發揮作用的可能性。