连载｜外泌体：天然高效的药物投递“物流系统”
作者｜摩西 、审校编辑｜暖手同学
ID:cell-kingdomt 细胞王国出品
║间充质干细胞源性外泌体：间充质干细胞通过旁分泌机制分泌的30-150nm 的微囊泡，能够借助所携带的蛋白质，microRNAs 等生物活性物质拥有介导间充质干细胞的治疗效力，在多种疾病的治疗中发挥作用。║
在细胞通讯过程中，细胞分泌的大小在40～100nm之间的外泌体具有负载“货物”并将其传递给靶细胞的能力。外泌体是细胞通讯重要的调节者，当疾病发生时，外泌体的组成会发生变化，在诊断和治疗方面均具有重要作用。外泌体作为药物的天然内源性载体具有独特优势，如其免疫原性低，在血液中的稳定性高，向细胞运输药物的效率高，和更强的增强渗透滞留效应(EFR)。目前，外泌体已经成功运载基因类药物、抗癌药物和抗炎症药物等其他类型药物。作为基因类药物载体，外泌体有助于同时提高转染效率和降低副作用。作为抗癌类和抗炎症类药物载体，外泌体可较好地保护药物免遭人体清除。
书接上回，在《连载｜间充质干细胞外泌体-如何辨别与获取》中，小编对外泌体的来源以及提纯方法进行了综述，在本文小编按照外泌体负载“货物”的种类综述外泌体作为药物载体的最新进展，并简要讨论构建外泌体药物运输系统所需考虑的外泌体的载药种类、载药方式以及载药系统的使用方式等关键因素，对外泌体药物运输系统的影响，最后展望外泌体药物运输系统临床应用所面临的挑战和可能的解决途径。
￤外泌体可作为药物投递载体
传统药物往往存在水溶性差、易被人体快速清除、生物相容性差、体内分布不理想和向细胞渗透能力低等缺陷，这些问题在一定程度上限制了它们的临床应用［11，12］。药物投递系统就是要解决上述一个或多个问题以达到增加药物的安全性和效果的目的。外泌体作为药物载体进行药物运输有独特的优势，主要体现在：
（１）当使用自源外泌体时，外泌体引起的有害免疫反应极低；
（２）外泌体在人血液中的稳定性好；
（３）向细胞转运“货物”的效率高；
（４）外泌体运载药物时具有一定的靶向性；
（５）外泌体直径在40～100ｎｍ之间，因此可以很好地利用增强渗透滞留（EPR）效应［1，11，13～15］，有选择性地渗入到肿瘤或者炎症组织部位。
如下图所示，正常组织附近的血管，内皮细胞排列相对紧密，因而外泌体几乎不会通过血管渗透出去；而肿瘤组织附近的血管，内皮细胞间隙大，外泌体可通过细胞间间隙透出血管，并滞留于肿瘤组织处，从而实现对肿瘤的被动靶向作用。
泌体利用EPR效应对肿瘤的被动靶向
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参考自：[14]
01 外泌体作为药物载体的要素
外泌体作为药物载体的要素见下表。迄今为止，人们设计的作为药物载体的外泌体所载的“货物” 主要包括基因类（ miRNA、 siRNA、mRNA等）［17，18］、抗癌症药物类（紫杉醇，阿霉素等）［19，20］以及抗炎症药物类、能增强免疫的抗原和蛋白质［10，21，22］等其他类型药物。外泌体的表面存在区别于普通合成脂质体的复杂而特殊的蛋白及磷脂双分子层结构（下图），该结构不仅有利于外泌体对所负载的药物的有效保护，更可使其避免被网状内皮系统捕获，获得更长的体内循环时间，实现被动靶向效应；更重要的是使外泌体易于与受体细胞融合，从而将药物释放到受体细胞内。外泌体的这种天然结构特点决定了细胞对其所负载药物的接收明显强于其他载体。
外泌体的结构
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参考自：[2，3]
目前，将“货物”载入外泌体中主要有以下几种方法：
（１）对母代细胞进行化学转染或“货物”与母代细胞共混，使母代细胞分泌出的外泌体载有“货物”［18，23］。化学转染母代细胞的方法通常是利用商业化的转染剂对母代细胞进行转染，使基因在母代细胞内表达，从而使其分泌的外泌体也含有该基因。这种方法由于缺乏安全而有效的基因运载体，存在转染效率低和基因表达效果差的缺陷［2］。而“货物”与母代细胞共混的方法则要求药物对母代细胞的毒性不能过大［19］，导致其普适性不高。
（２）直接化学转染外泌体或药物与外泌体共混培养［10，24，25］。直接化学转染外泌体可用于负载投递基因类药物，但该法不能将外泌体和转染剂很好分离，以至于在应用外泌体时，无法说明是外泌体还是转染剂在发挥作用，并且这种方法也不能保证基因类药物全部进入外泌体内而不是黏附在外泌体表面［24，25］。
（３）电穿孔［16］。该方法的原理是对外泌体施加一个外部电场，外部电场的能量超过外泌体磷脂双分子层所能承受的能量，从而击穿磷脂双分子层，产生一个瞬间的、可修复的小孔，将各种小分子在电场力作用下导入外泌体中［2，26］实现药物的负载。电穿孔法的参数容易控制，同时也可以避免转染外泌体法的问题，因而在临床应用上具有广阔的应用前景。
02 外泌体负载基因类药物
基因治疗是一种通过修复有缺陷的基因从而治疗疾病的方法［31］，有希望治愈一些难以医治的疾病，比如癌症、艾滋病、心血管疾病、囊胞性纤维症、X连锁重症联合免疫缺陷等［32～43］。基因治疗的关键是将基因运送到目标细胞的细胞内，并使其长期表达。但基因在体内易降解，因而需要一个有效的基因运输载体来完成这个目标。
外泌体药物运载系统的组成部分
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目前，在基因治疗中用于承载基因的载体主要是病毒类载体和非病毒类载体［24，25，32，44］。病毒载体的转染效率高并可以使转入的基因长效表达，但病毒载体的使用往往存在着危险性大、容易引起免疫反应和靶向性差的问题［24］。非病毒载体虽然相对安全，但其转染效率低［32，45］，这些问题在一定程度上限制了基因治疗的临床应用。因此，迫切需要一种新型的，既能满足副作用小、安全高的要求又具有高效转染能力的载体。
外泌体由于在细胞通讯的过程中可以携带基因［1，4，11］，引起了基因治疗研究者的广泛关注。外泌体作为基因载体与传统的病毒或非病毒载体相比，其优势在于：
（１）从患者体内获取的外泌体，经载入基因后，再注入患者体内几乎不会引起免疫反应，更加安全；
（２）外泌体体积很小，可以逃过网状内皮系统的捕捉，有效保护承载的基因；
（３）承载基因的外泌体可以通过与目标细胞膜融合的方式，将基因类药物释放到细胞质中［23，24］。而其他非病毒载体一般被受体细胞內吞后才能将基因类药物输送至细胞中的内涵体（endosome）。内涵体内ｐＨ值约为５~7.2，易将基因类药物酸化、破坏［46］，并且也有部分药物无法从内含体中逃脱出，因而，相比之下，可以进行膜融合的外泌体运载的基因类药物的转染效率更高。
03 外泌体负载抗癌症药物
利用抗癌症药物进行肿瘤治疗是抑制肿瘤的一个重要方法，不过目前抗癌症药物的运载存在着种种挑战，主要体现在：
（１）抗癌症药物的疏水性；
（２）抗癌症药物的毒性以及非靶向性；
（３）易被人体清除，体内循环的半衰期很短等［20，65～68］。采用外泌体运输抗癌症药物，可以提高药物体系的水溶性，降低药物对人体的毒性以及避免被网状内皮系统捕捉从而延长其循环时间。
最近，两种抗癌症药物—紫杉醇（PTX）和阿霉素（DOX）已经成功被载入外泌体中，并对其抗肿瘤作用进行了研究［19，20］。在利用外泌体运输PTX 进行抗肿瘤的研究中，由于间充质干细胞可以归巢（ homing） 至肿瘤细胞微环境并且可以不通过基因操作即可对PTX运输，外泌体可以有效的运载 PTX并不破坏其功能，小泡（主要指外泌体）溶液的蛋白质浓度在 0. 047~0,095mg／mL之间时可以诱导肿瘤细胞凋亡50％ ，这种抑制效果与纯PTX对体外癌细胞的抑制效果相当。外泌体体外运输PTX的成功为外泌体运载抗癌药物进行体内肿瘤治疗奠定了基础。
04 外泌体负载其他类型药物
姜黄素是一种存在于姜黄根茎中的天然多元酚，它具有抗炎症、抗恶性细胞增殖、抗氧化以及抗血管生成等功效［71~ 75］。与PTX 和DOX类似，姜黄素的临床应用也存在着问题,比如其水溶性差，在体内代谢快速以及易被快速清除［10，71］。外泌体作为姜黄素的载体，可以提高姜黄素的溶解性、稳定性以及生物利用度。
除运输药物进行疾病治疗之外，外泌体还能进行免疫治疗，在进行免疫调节时，外泌体通常运载 TGF⁃β1、粒细胞⁃巨噬细胞集落刺激因子（GM⁃CGF）或MAGE抗原等物质［9，21，70,76］。在这些研究中，分泌外泌体的母代细胞往往选用具有很好抗原递呈（ antigenpresentation）能力的树突细胞或者肿瘤细胞。
外泌体治疗Ａ：外泌体免疫治疗；Ｂ：外泌体载药治疗
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参考自：[3]
￤结论与展望
近年来，抗癌类药物的运输成为癌症治疗的关键问题，引起了各个领域研究者的关注。药物载体层出不穷，基于脂质体的载体和基于聚合物的载体是两类目前广泛研究的药物载体［77~79］，然而这些载体往往存在着血液中循环时间短，易被人体清除，稳定性差，靶向性低等问题［79~82］，因此，需要一种新型的可以有效运输药物的载体。
外泌体作为细胞分泌的纳米级别的小泡，在细胞间信息交流的过程中起着重要作用［83］，并且它在人体内分布广泛，可以穿过细胞膜，不易引起免疫反应，作为药物载体具有独特优势，为基因、抗肿瘤等药物的运输开辟了一条新的道路。目前，已经有关于外泌体进行疾病治疗的一期临床结果，说明了外泌体在临床上使用的安全性［69，70］。但要使外泌体在临床上得以更加广泛的应用，仍需要更加深入的研究。
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