外泌體——小囊泡里蘊含的神奇功能，全球市場達數億美元

2020年2月7日，Science雜志在線發表了一篇外泌體領域研究的綜述文章,系統性地回顧了外泌體的生物學、功能和生物醫學應用，文章作者是美國德克薩斯大學安德森癌癥中心的Raghu Kalluri和Valerie S. LeBleu，這篇綜述概覽了當前外泌體領域的主要發現、面臨的挑戰，并對其應用提出了展望。

圖1. 外泌體：人體內具有多效功能的細胞間轉運系統

細胞外囊泡包括兩類，胞外體（ectosomes）和外泌體（exosomes），胞外體是通過出芽方式形成的囊泡，包括微囊泡、微粒子和直徑在50-1000 nm的大囊泡，外泌體是一種內源性的大小在40-160 nm (平均~100 nm)的細胞外囊泡，通過形成包含ILVs的早期內涵體（ESEs）、晚期內涵體（LSEs），最終形成多泡體（MVBs）。

MVBs與質膜融合，通過質膜內陷分泌。外泌體具有高度異質性，根據細胞來源不同、可以包含細胞的多種不同成分，包括DNA、RNA、脂質、代謝產物、細胞質和質膜蛋白。

外泌體的形成和鑒定：

外泌體的生成和鑒定

外泌體的形成過程大致如下：質膜內陷將部分細胞外成分包裹，并與內質網、跨高爾基網絡及線粒體等融合形成ESEs，ESEs可以和細胞器發生物質交換或相互融合，形成LSEs，進一步形成MVBs。

MVBs中包括多個LSEs第二次內陷形成的腔內囊泡（ILVs）。之后，部分MVBs通過與自噬體或溶酶體融合被降解,其他MVBs與質膜融合通過胞吐作用釋放其中的ILVs，這些ILVs就是最終形成的外泌體。

在外泌體的生成過程中，有幾種蛋白密切參與，包括Rab GTPases、ESCRT蛋白，以及被用作外泌體標記的CD9、CD81、CD63、flotilin、TSG101、神經酰胺和Alix等。

不同細胞生成外泌體的速率、大小、組分均有異質性，目前對外泌體形成的動力學、組分調控等方面的研究較少。

外泌體的功能

外泌體細胞間物質交流與信號傳遞途徑

外泌體可以作為細胞間物質交流和信號傳遞的途徑，不同細胞間通過分泌攜帶有不同組分的外泌體實現通訊，這些分泌的外泌體被受體細胞吸收，通過釋放內含物實現物質和信號的交流。

經典的研究如KRAS突變的胰腺癌細胞可促進胞吞吸收更多外泌體，黑色素瘤細胞通過促進質膜與外泌體膜融合實現對外泌體組分吸收等。動物實驗研究結果表明一些外泌體還可以直接運輸mRNA給受體細胞，EGFR-VIII突變的膠質母細胞瘤細胞分泌的外泌體攜帶更多的浸潤分子，

外泌體可以通過不同的機制進入細胞。主要包括質膜內陷從頭生成外泌體（藍色途徑），以及通過胞吞機制進入細胞獲得外泌體（紅色途徑）。尚不清楚新生成的外泌體和胞吞獲得的外泌體是混合后一起進行下一輪降解或釋放，還是單獨分別進行。

外泌體與病毒防御機制：

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外泌體促進或抑制病毒感染

外泌體可以促進或限制病毒感染。外泌體攜帶的IFNα或APOBEC3G等可以限制病毒復制或增強抗病毒免疫來抑制感染。病毒也可以通過劫持細胞生成外泌體途徑促進病毒自身傳播，外泌體膜可以作為假包膜包裹病毒，幫助病毒逃避免疫系統，進入受體細胞等。
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外泌體與生殖發育：

外泌體在哺乳動物的妊娠和胚胎發育過程中起到了重要的細胞通訊作用。人類的血液、母乳、羊水、精液中均包含外泌體，人類精漿中分離的外泌體檢測到包含let-7a，let-7b，miR-148a，miR-375和miR-99a等miRNA，這些miRNAs與生殖器駐留免疫相關。精漿來源的外泌體還有助于阻斷HIV的感染。胎盤滋養細胞來源的外泌體可將一類miRNA輸送至非胎盤細胞，促進自噬和病毒防御機能。有趣的是，妊娠晚期小鼠的血漿外泌體可以誘導近產期的孕鼠早產，但對妊娠早期的小鼠沒有影響。母乳中的外泌體也對嬰兒的免疫系統有幫助。

外泌體與免疫調節：

不同的細胞來源的外泌體，包括免疫細胞(B細胞和樹突狀細胞)、癌細胞、上皮細胞和間充質細胞，釋放出帶有載體的外泌體，可影響先天免疫系統和適應性免疫系統中受體細胞的增殖和各自的活性。

外泌體調控免疫效應主要通過兩種方式：攜帶MHC-peptide的外泌體可直接通過抗原遞呈作用激活免疫系統；外泌體攜帶的DNA分子通過cGAS-STING通路激活免疫效應通路。

抗原細胞來源的外泌體可以直接通過攜帶的結合了抗原肽的MHC-II激活T細胞，但外泌體單獨對T細胞的激活作用有限。攜帶了結合腫瘤特異性抗原的MHC-II的外泌體在小鼠體內可顯著抑制腫瘤生長，這些外泌體可能通過激活抗原提呈細胞間接激活na?ve T細胞和B細胞，也可能促進CD4+T細胞的擴增。巨噬細胞來源的外泌體還可能促進了抗細菌免疫效應的激活過程。

外泌體攜帶的核酸分子也參與了先天性和適應性免疫活動。此外，來自間充質干細胞，甚至癌細胞的外泌體也在免疫活動過程中發揮了特殊的作用。

外泌體與腫瘤免疫耐受及病毒傳播過程均有關系。黑色素瘤細胞來源的外泌體攜帶PD-L1，可直接抑制CD8+T細胞的活性，抑制樹突狀細胞的成熟，并誘導淋巴結中T細胞耗竭，與腫瘤免疫耐受密切相關。黑色素瘤和前列腺癌來源外泌體還可攜帶FasL，可誘導T細胞的凋亡。腫瘤來源的CD39+或CD73+的外泌體也可以介導免疫效應沉默作用。

總之，外泌體與免疫系統存在錯綜復雜的關系，不同細胞來源的外泌體在一些生理和病理相關的免疫活動中均有重要功能，是外泌體生物學功能研究的重要方向之一。
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外泌體與代謝性疾病、心血管疾病及神經退行性疾病：
外泌體可以通過攜帶miRNA或代謝物分子在代謝性疾病和心血管疾病的發生發展過程中起作用。一些腫瘤來源的外泌體可能通過攜帶的物質改變非腫瘤細胞的代謝方式，如胰島β細胞，脂肪細胞等等，幫助惡病質和副腫瘤綜合征病癥發展。

體外培養細胞動脈粥樣硬化，糖尿病相關的心血管疾病和與心力衰竭疾病模型細胞收集的外泌體與疾病相關的代謝適應有關。體外培養的間充質干細胞和胚胎干細胞的外泌體具有保護心血管的作用。這些發現表明不同來源的外泌體可以通過傳遞miRNA，蛋白等物質改變受體細胞的代謝狀態。

神經退行性疾病往往伴隨致病性蛋白沉淀物的積累，外泌體可能是細胞清除這類致病性蛋白沉淀的重要方式。阿茲海默癥病人腦脊液外泌體中均可檢測到Tau和Aβ蛋白。類似的現象也在帕金森綜合征和肌萎縮側索硬化病中發現。帕金森綜合征病人腦脊液外泌體可檢測到α-突觸核蛋白，肌萎縮側索硬化病人外泌體中也可以檢測到超氧化物歧化酶1或TDP-43。

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外泌體在疾病診斷中的應用：

外泌體生成機制表明，通過分析外泌體的組分，可以幫助識別其來源的細胞類型。這一特性被用于開發心血管疾病，中樞神經系統疾病和腫瘤的分子診斷方法，也在肝，腎，肺相關疾病的診斷中得到重視。

還有一些研究表明外泌體中攜帶的腫瘤來源DNA片段可有助于腫瘤相關DNA突變的檢測。此外，外泌體相關的miRNA在腫瘤診斷中具有較高的價值，如miR-100，miR-21等等。除了miRNA，一些外泌體蛋白也可能用于分子診斷，例如GPC1，CD147等等。

外泌體在疾病治療中的應用：

圖7.?外泌體作為疾病治療的工具

從樹突狀細胞、成纖維細胞和間充質細胞中分離出的治療性外泌體可對靶細胞產生特定的作用，包括新抗原呈遞、免疫調節和藥物有效載荷傳遞。治療性外泌體對靶細胞的影響可能是通過不同的進入或相互作用機制來控制的。完整的外泌體的進入可能包括受體介導的內吞作用、網格蛋白包被、脂筏、吞噬作用、內吞和胞飲作用等。

外泌體內容物的進入或外泌體信號的誘導可能涉及配體受體誘導的細胞內信號或融合，從而將外泌體內容物沉積到細胞質中。一些研究表明，小鼠體內外泌體的免疫清除率比脂質體低，因此可以作為潛在的給藥工具。基于外泌體實現siRNA的定向給藥已經取得了一些可喜的進展。還有一些研究利用外泌體實現對腫瘤免疫機制的干預。

外泌體在生理檢測及用藥載體和治療方面的應用前景廣

2016年，美國婦產科雜志（AJOG）發表了一篇題為“蛋白生物標志物與循環微粒聯合作為評估自發早產風險的有效手段”的文章。這項研究發現，外泌體相關的蛋白質在10-12周妊娠階段與產期不到34周和大于37周的婦女中有顯著的不同。

對于無法穿越血腦屏障，傳遞方面有挑戰的，如核酸類藥物，腫瘤抗原等，外泌體作為一種人體天然的載體不失為一種可嘗試的方法5。外泌體還具有其他一些生理功能，如促進凝血、增強內皮細胞連接功能、誘導NK細胞激活等，潛在應用范圍十分廣闊。

外泌體的科研、臨床數量逐年增加，美國和中國全球領先

從2007到2016年， 共有1852篇外泌體相關的科研文章發表。美國發表的文獻最多 (719, 38.8%), 緊跟著是中國 (301, 16.3%) 和德國 (157, 8.5%)。

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在腫瘤標記物方面，已有科研團隊找到與疾病關聯的外泌體蛋白質以及核酸類的標記物。

2018年5月，Aegle成為是第一個拿到了囊泡 (EV) 相關的臨床試驗許可IND的公司，針對II級燒傷的治療，將于2018年底啟動臨床。

外泌體全球市場將達上億美金

診斷是市場上占比最大的部分，預計將從2016年的1000萬美元增長到2021年的1億美元，期間的復合年增長率為58.5％。治療方面有望從2016年的500萬美元增長到2021年1000萬美元，復合年增長率為14.9％。

外泌體相關的公司主要集中在國外，分為疾病檢測和治療兩個方向（圖7）。而國內公司更加集中于科研服務。

國外外泌體公司發展方向及情況

篇幅有限，本文僅列舉了部分主要內容，文中作者列舉了大量實例，并提出了更多的假設，歡迎下載原文深入研讀。

LeBleu, R.K.a.V.S., The biology, function, and biomedical applications of exosomes. Science, 2020. 367(6478).