冉冉升起的新星：外泌体与癌症进展密切相关，应用于癌症治疗潜力无限丨医麦新观察

   更新日程拉，快点开看看！ 

本文由医麦客原创，欢迎分享，转载须授权

2019年7月21日/医麦客 eMedClub/--由于外泌体作为细胞间信使的独特功能、改变受体细胞生物活性的能力，以及在疾病诊断和靶向药物递送方面的治疗潜力，近年来人们对外泌体研究的兴趣急剧增加。

20世纪80年代，Johnstone等人首次描述了外泌体(Exosomes)。他们指出，从培养的单层细胞中脱落的囊泡保留了与亲代细胞相似的酶活性。这种小囊泡是由细胞内核内体(endosome)向内出芽形成的，导致形成多泡体(MVBs)，其可与质膜(PM)融合并将外泌体释放出细胞。

▲ 图片来源：The Scientist Magazine

外泌体是一种直径为30-140nm的细胞外囊泡(extracellular vesicles, EVs)，是蛋白质、非编码RNA (miRNA、lncRNA)、mRNA、脂质等功能物质的载体，在细胞间通讯中发挥重要作用。此外，外泌体可能参与癌症治疗的耐药性。

它可以在与靶细胞结合后直接与PM融合，也可以通过特殊的内吞途径内化。因此，外泌体可将其内容物递送至靶细胞，并引发其生物学功能。

外泌体与癌症

虽然外泌体释放是正常过程，但癌细胞以高水平释放外泌体，并且其中的货物诱导癌症进展。一旦从细胞释放，肿瘤来源外泌体开始在细胞外空间中循环直至到达目标。在此过程中，外泌体的货物含量受到脂质双层膜的保护，使其免受酶或其他细胞外条件的降解。在被受体细胞摄取后，肿瘤来源外泌体可以改变受体细胞功能和表型，影响周围和远处的非肿瘤细胞，从而促进癌症增殖、传播和转移的有利微环境。癌症进展是一个复杂的过程，外泌体似乎参与了其中的每个阶段。

▲ 外泌体在癌症发展和治疗应用中的作用（图片来源：AIP）

• 外泌体促进肿瘤增殖、改变微环境

已有研究报道，肿瘤来源外泌体通过直接激活负责维持肿瘤增殖的信号通路，如P13K/AKT(磷酸化磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B)或MAPK/ERK(丝裂原活化蛋白激酶/细胞外信号调节激酶)，促进肿瘤生长。胃癌细胞通过激活外泌体介导的P13K/AKT或MAPK/ERK通路诱导细胞增殖。另一项胃癌研究证实，外泌体CD97通过MAPK通路介导增殖。此外，来自膀胱癌和口腔鳞状细胞癌细胞的外泌体已显示通过PI3K/AKT和MAPK/ERK通路诱导细胞增殖。

除了对细胞增殖的影响之外，肿瘤细胞衍生的外泌体可以改变微环境，以促进疾病的侵袭和传播。

特别是，来自前列腺癌细胞的外泌体被证明通过向细胞外环境递送转化生长因子β而将成纤维细胞转化为活化的成纤维细胞或肌成纤维细胞。成纤维细胞是肿瘤组织中的主要成分，其活性形式通过分泌生长因子在肿瘤进展中发挥了重要作用。类似地，膀胱癌中的成纤维细胞通过外泌体介导的TGFβ转移被触发分化和激活。

外泌体操纵肿瘤微环境的另一个例子是诱导血管生成。血管生成是利用已存在的血管形成血管的自然过程，在生物体的生长发育过程中以及对损伤的反应中很常见。然而，这一过程在癌症进展中也是必不可少的，因为肿瘤生长需要血管系统的快速形成来提供营养、氧气和废物的清除。

几项研究发现外泌体通过miRNA、mRNA和蛋白质的递送在血管生成中发挥重要作用。例如，Umezu等报道白血病细胞来源的外泌体过表达miR-92a(即一种属于mir-17-92簇的miRNA)进入内皮细胞，并导致迁移和血管生成的增强。此外，Delta-like 4(Dll4)是一种膜结合的Notch配体，在血管发育和血管生成中起着重要作用，可以被外泌体通过3D胶原基质转运到远处的细胞。

• 外泌体和转移

除了改变局部肿瘤微环境促进肿瘤增殖外，肿瘤来源外泌体还可促进远端器官的转移。肿瘤转移是一个多步骤过程，包括从原发器官脱离、通过基底膜的侵袭和迁移、通过血流的扩散，以及最终适应和定植到继发器官部位。

癌细胞已经开发出外泌体介导的策略来影响转移的许多步骤。例如，三阴性乳腺癌细胞系(MDA-MB-231)过度表达miR-10b，衍生的外泌体可以将miR-10b转移到非恶性人乳腺上皮细胞系，进而诱导侵袭能力。来自上皮性卵巢癌(EOC)细胞的外泌体通过将CD44转移到人腹膜间皮细胞(HPMCs)来增强卵巢癌侵袭。HPMC细胞是腹膜内单层细胞，EOC在转移期间首先附着于腹膜。在从EOC外泌体接收到CD44后，HPMC细胞被重新编程以改变成前趋性纺锤体表型，从而支持EOC的侵袭和转移。此外，来自转移性MDA-MB-231外泌体的miR-105可以靶向紧密连接蛋白(ZO-1)，破坏内皮细胞屏障，诱导血管通透性，并促进体内转移。

在侵袭和渗入血管后，癌细胞可以调节远端器官的微环境，使肿瘤细胞在到达之前能够存活和定植。这些预定的微环境被称为转移前微环境(pre-metastatic niche)，这种现象的形成可以由来自癌细胞的外泌体介导。

研究表明，胰腺导管腺癌(PDAC)来源的外泌体诱导肝内转移前微环境形成，用来自PDAC的外泌体处理的新生小鼠肝转移负担增加。该研究还研究了参与该过程的机制，并揭示肝库普弗细胞对外泌体的摄取诱导TGFβ的产生，其上调肝星状细胞的纤连蛋白产生和骨髓来源巨噬细胞的流入。PDAC来源外泌体的货物含量包括巨噬细胞抑制因子(MIF)的高表达。因此，阻断外泌体中的MIF促使TGFβ、纤连蛋白沉积、巨噬细胞形成和转移肝负荷的减少。

• 外泌体和癌症免疫系统

肿瘤来源外泌体在癌症发展过程中对免疫系统也有重要影响。

一方面，肿瘤来源外泌体可以刺激针对癌症的免疫反应。例如，肿瘤来源外泌体含有肿瘤抗原并将其递送至树突状细胞，产生外泌体，从而刺激T细胞介导的抗肿瘤免疫反应。因此，外泌体携带的这类特异性肿瘤抗原正在作为免疫疗法中的肿瘤疫苗进行研究。

另一方面，肿瘤来源外泌体可以促进免疫抑制和抑制免疫监测，以便侵入和扩散。事实上，许多肿瘤来源外泌体的货物含有来自母肿瘤细胞的分子，这些分子可以直接或间接地影响免疫细胞的激活、发育和抗肿瘤活性。

基于外泌体的癌症治疗策略

越来越多的研究表明，外泌体可能在癌症治疗干预中占有一席之地。其中包括几种策略：首先，靶向肿瘤来源外泌体以控制癌症进展；或者，基于天然结构和独特的细胞功能，外泌体有潜力作为治疗性分子的天然递送载体。

• 抑制肿瘤来源外泌体

为了减少疾病来源外泌体表达的数量，许多研究将注意力转向外泌体的生物发生途径，探索如何阻断某些途径以减少外泌体的产生、释放和摄取。

例如，神经酰胺被鉴定为转运必需内体分选复合物(ESCRT)独立生物发生途径中的脂质之一，其合成由中性鞘磷脂酶2(nSMase2)介导。因此，许多治疗试图通过敲除nSMase2基因来减少神经酰胺的产生或添加nSMase2中性抑制剂GW4869，以最终消除或减少外泌体的产生。有研究表明，GW4869治疗降低了miR-10b在乳腺癌中的转移，削弱了miR-10b介导的受体细胞增殖。

靶向Rab蛋白是限制外泌体释放的一种常用方法，因为它们在外泌体的生物发生和分泌中具有重要作用。小Rab GTP酶属于Ras GTPases的超家族，它们是细胞内转运的关键调节因子。特别是，Rab 27a和27b参与了HeLa细胞的MVB对接和胞吐分泌，因此抑制Rab 27a或Rab 27b已被证明可以减少外泌体释放。

阻断外泌体摄取途径也被用来阻止疾病的传播和扩散。外泌体内化机制极其多样，包括网格蛋白介导的内吞作用、吞噬作用、微胞饮作用以及血浆或内体膜融合，从而为靶向外体摄取途径中的各种成分提供了机会。

硫酸肝素(HS)蛋白多糖(HSPGs)已显示出作为外泌体粘附和内化的内化受体起作用。肝素，作为一种HS模拟物，以剂量、大小和整体硫酸化电荷依赖的方式抑制外泌体吸收，并显著减少胶质母细胞瘤细胞迁移。动力蛋白被认为是网格蛋白介导的内吞途径中的必需介质，并可被dynasore有效抑制。淋巴细胞外泌体的吸收被dynasore显著抑制，提示对侵袭性和不可治愈性淋巴瘤的潜在有效治疗。在黑色素瘤细胞中，dynasore抑制正常内皮细胞的外泌体内化，同时阻断肿瘤外泌体诱导内皮细胞中有利于肿瘤微环境的表型改变，包括激活P13K/Akt通路、增强细胞迁移和血管生成。

• 外泌体作为治疗平台

一种理想的治疗递送载体应特异于靶向部位，对其他器官具有低毒性，高封装和递送效率，在循环中保护有效负载，并保持稳定的释放特征。

近几十年来，基于聚合物的纳米载体得到了发展。然而，这些系统经常面临一些挑战，如药物优先在脾脏和肝脏组织而不是疾病部位积累，聚合物材料的细胞毒性，和随着时间的推移癌细胞产生的多药耐药。为此，外泌体可能是递送药物/核酸的理想的细胞转运体，它比基于聚合物的递送方法有几个优点。

首先，外泌体自然存在于体液中，因此在生理和病理条件下都是稳定的。例如，从人类母乳中提取的外泌体中发现了免疫相关miRNA，它们在酸性条件下非常稳定，因此能够耐受婴儿的胃肠道环境。第二，与其他纳米载体相比，外泌体的毒性和免疫原性更低，尤其是从未成熟的树突状细胞和单核细胞中获得的外泌体。第三，外泌体可以通过将调节耐药表型的蛋白质或miRNA转移到受体细胞来减少其他纳米载体面临的多药耐药性。

此外，由于独特的膜蛋白和脂质可以与受体细胞中的特定受体结合，外泌体被驱动将货物递送到特定的受体细胞，从而提高了递送效率。最后，外泌体能够跨越大多数药物和载体都不能跨越的血脑屏障(BBB)，这使得外泌体成为向大脑传递货物的绝佳选择。

（1）外泌体作为基因载体

裸治疗基因分子量大、带负电荷，不能有效穿过细胞膜，使细胞摄取非常有限。未修饰的外来基因也有被核酸酶快速降解的风险，使它们无法被目标细胞所利用。因此，基因治疗的成功在很大程度上取决于基因递送载体的开发。病毒载体和非病毒载体都已被开发成为基因传递载体，但它们存在着全身毒性高、引发免疫反应等主要缺点。

外泌体是优良的基因载体，因为它们具有生物相容性，在适当的时候具有免疫惰性，并且可以有效地到达目标。为了将核酸加载到外泌体中，可以先将治疗材料转染到供体细胞，随后将其包装到外泌体，或者可以通过电穿孔分离后掺入外泌体。

（2）外泌体作为药物载体

药物通常通过孵育、超声处理和电穿孔等方法封装到纯化的外泌体中。一项研究表明，化疗药物紫杉醇(PTX)被包裹在巨噬细胞来源外泌体(exoPTX)时，超声处理是最有效的方法。此外，相对于脂质体和基于聚合物的载体，exoPTX表现出在癌细胞中优先聚集和减少转移。

另一项研究通过电穿孔将阿霉素(Dox) 封装到外泌体中，应用于乳腺癌细胞系，结果显示工程外泌体能够特异性地向肿瘤组织递送Dox，从而抑制肿瘤生长，降低毒性和免疫原性。

挑战

外泌体在治疗应用中表现出巨大的潜力。但是，要在这一领域取得进展，需要克服一些基本障碍。

首先，该领域的一个主要限制是缺乏标准的外泌体分离和纯化技术。传统的分离方法需要多步超速离心。这种方法比较繁琐，并且获得的外泌体往往被其他类型的EVs污染。由于外泌体的靶向性和递送能力在治疗应用中至关重要，非外泌体EVs的存在将影响治疗效率。因此，建立一种快速、准确的外泌体分离方法是当前研究领域的重要课题之一。

▲ 外泌体分离技术、内容和应用（图片来源：BMC）

其次，外泌体的细胞来源需要受到更多关注。在利用外泌体进行癌症治疗时，应避免从癌细胞中获取外泌体，因为它们可能含有可能导致癌症进展的致癌驱动力。此外，不同细胞来源可能影响外泌体递送特性。因此，在应用外泌体作为治疗载体之前，需要对外泌体进行彻底和精确的表征研究。

最后，即使使用相同类型的供体细胞，从细胞培养物中提取的外泌体也会发生变化，表现出不一致的特性。目前的细胞培养和外泌体纯化技术限制了外泌体的标准化和大规模生产。因此，在外泌体成为一种可靠的治疗平台之前，需要可扩展的制造工艺，以快速、可重复和经济的方式生产外泌体。

结语

为了充分利用外泌体的癌症治疗潜力，阐明生物发生的确切机制、开发高效可靠的分离方法、了解来自不同来源的外泌体等方面将是未来研究的努力方向。如何最大化这种遍布全身的小泡的治疗特异性和有效性，需要更多的进展。

参考出处：

DOI: 10.1063/1.5087122

DOI: 10.1186/s12943-019-0975-5

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6291654/

医麦猛爆料

医麦干货集

19家顶级CAR-T公司PPT(上) | (下) | 20篇肿瘤免疫高引综述 | 40篇细胞/基因治疗人气文献 | 30+篇细分领域深度报告 | 70篇精选诚意大礼包 | 女王专属大礼包 | 硬核CAR-T大礼包 |  硬核肿瘤免疫大礼包 | 基因治疗“锦鲤”大礼包 | 

医麦大盘点

峰客访谈

点一次瘦一斤