生物界扛把子-外泌体前世今生及应用前景
生物界扛把子-外泌体前世今生及应用前景
外泌体是近年来生物医学领域备受关注的研究热点。这种直径在30-150纳米之间的细胞外囊泡，不仅在细胞间通讯中发挥重要作用，更在疾病诊断、药物递送、再生医学等多个领域展现出广阔的应用前景。本文将为您详细介绍外泌体的前世今生及其在多个领域的应用现状与未来发展趋势。
外泌体的前世今生
1983年，科学家首次在哺乳动物细胞中发现外泌体，最初它被误认为是细胞排泄的废物。然而，随着研究的深入，科学家们逐渐认识到，这个小小的细胞外囊泡蕴含着巨大的能量。近年来，外泌体研究已成为生物医学领域的热点，相关研究成果频频登上Science、Nature等顶级期刊。
图1.外泌体文献发表统计（数据来源pubmed）
外泌体具有独特的生物学特性：它可以直接反映组织细胞的变化，包含蛋白质、RNA、脂质等多种生物信息；脂质双分子层的结构使其内容物免受细胞外酶的降解；几乎存在于所有体液中，便于获取。研究表明，外泌体可以携带4563种蛋白质、1639种mRNA和764种mRNAs，以及194种脂类和反映细胞起源类型的代谢产物。
美国NIH已资助多项非肿瘤领域的外泌体标志物研究。除了肿瘤，外泌体在糖尿病、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方面的研究也日益增多。
图2.外泌体来源
外泌体的应用
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了国际首个外泌体喷鼻治疗阿尔茨海默病的临床试验（Clinical Trial NCT04388982）。研究结果发表于General Psychiatry，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”。
阿尔茨海默病是最常见的神经退行性疾病，目前尚无有效治愈手段。前期研究表明，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）鼻内给药可在小鼠模型中改善AD病理状态及空间记忆。王刚教授团队的临床试验验证了ahaMSC-Exos通过鼻内给药治疗AD的安全性和有效性。结果显示，中等剂量组受试者在第12周时认知功能有所改善，证明了ahaMSCs-Exos经鼻内给药治疗AD的安全性，并建议选择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
诊断领域
外泌体中的RNA或蛋白质成分可以作为新型生物标志物，用于诊断各种疾病。其优势包括：
- 无创，有望作为病情监测标志物
- 更全面地反映肿瘤情况
- 灵敏度高且血清干扰较少
- 存在于多种体液中
- 脂质双层膜保护作用使分子更稳定
- 易于保存
在进行临床样本采集时，需要注意受试者的临床基本信息（如年龄、性别、患病史等）、采集信息（如获取时间、保存条件等）以及标本类型（如离心力、离心时间等）。
图4.外泌体作为生物标志物申请的专利（部分统计）
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。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（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
医学美容
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
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。
山东大学陈丽团队的研究展示了外泌体在糖尿病伤口愈合中的应用潜力。他们开发了一种新型水凝胶敷料，通过释放糖工程化细胞外囊泡来促进血管生成，从而加速糖尿病伤口愈合。研究结果表明，这种水凝胶在小鼠实验中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。
图7. 水凝胶在感染的糖尿病伤口上的应用
未来发展趋势
外泌体虽然发展前景广阔，但也面临着一些挑战。例如，外泌体的稳定性、纯度和质量控制等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。
然而，随着技术的进步和研究的深入，外泌体在多个领域展现出巨大的应用潜力。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。
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。