SCIENCE丨外泌体的生物学功能和生物医学应用

作者：张朝

2月7日，Science杂志在线发表了一篇外泌体领域研究的综述文章,系统性地回顾了外泌体的生物学、功能和生物医学应用，文章作者是美国德克萨斯大学安德森癌症中心的Raghu Kalluri和Valerie S. LeBleu，这篇综述概览了当前外泌体领域的主要发现、面临的挑战，并对其应用提出了展望。

图1. 外泌体：人体内具有多效功能的细胞间转运系统

 
胞外囊泡和外泌体异质性：

图2. 胞外囊泡和外泌体的同一性和异质性

细胞外囊泡包括两类，胞外体（ectosomes）和外泌体（exosomes），胞外体是通过出芽方式形成的囊泡，包括微囊泡、微粒子和直径在50-1000 nm的大囊泡，外泌体是一种内源性的大小在40-160 nm (平均~100 nm)的细胞外囊泡，通过形成包含ILVs的早期内涵体（ESEs）、晚期内涵体（LSEs），最终形成多泡体（MVBs）。MVBs与质膜融合，通过质膜内陷分泌。外泌体具有高度异质性，根据细胞来源不同、可以包含细胞的多种不同成分，包括DNA、RNA、脂质、代谢产物、细胞质和质膜蛋白。
 
外泌体的形成和鉴定：

图3. 外泌体的生成和鉴定

外泌体的形成过程大致如下：质膜内陷将部分细胞外成分包裹，并与内质网、跨高尔基网络及线粒体等融合形成ESEs，ESEs可以和细胞器发生物质交换或相互融合，形成LSEs，进一步形成MVBs。MVBs中包括多个LSEs第二次内陷形成的腔内囊泡（ILVs）。之后，部分MVBs通过与自噬体或溶酶体融合被降解,其他MVBs与质膜融合通过胞吐作用释放其中的ILVs，这些ILVs就是最终形成的外泌体。

在外泌体的生成过程中，有几种蛋白密切参与，包括Rab GTPases、ESCRT蛋白，以及被用作外泌体标记的CD9、CD81、CD63、flotilin、TSG101、神经酰胺和Alix等。不同细胞生成外泌体的速率、大小、组分均有异质性，目前对外泌体形成的动力学、组分调控等方面的研究较少。

外泌体的功能：

图4. 外泌体细胞间物质交流与信号传递途径

外泌体可以作为细胞间物质交流和信号传递的途径，不同细胞间通过分泌携带有不同组分的外泌体实现通讯，这些分泌的外泌体被受体细胞吸收，通过释放内含物实现物质和信号的交流。经典的研究如KRAS突变的胰腺癌细胞可促进胞吞吸收更多外泌体，黑色素瘤细胞通过促进质膜与外泌体膜融合实现对外泌体组分吸收等。动物实验研究结果表明一些外泌体还可以直接运输mRNA给受体细胞，EGFR-VIII突变的胶质母细胞瘤细胞分泌的外泌体携带更多的浸润分子，

外泌体可以通过不同的机制进入细胞。主要包括质膜内陷从头生成外泌体（蓝色途径），以及通过胞吞机制进入细胞获得外泌体（红色途径）。尚不清楚新生成的外泌体和胞吞获得的外泌体是混合后一起进行下一轮降解或释放，还是单独分别进行。
 
外泌体与病毒防御机制：

图5. 外泌体促进或抑制病毒感染

外泌体可以促进或限制病毒感染。外泌体携带的IFNα或APOBEC3G等可以限制病毒复制或增强抗病毒免疫来抑制感染。病毒也可以通过劫持细胞生成外泌体途径促进病毒自身传播，外泌体膜可以作为假包膜包裹病毒，帮助病毒逃避免疫系统，进入受体细胞等。
 
外泌体与生殖发育：

外泌体在哺乳动物的妊娠和胚胎发育过程中起到了重要的细胞通讯作用。人类的血液、母乳、羊水、精液中均包含外泌体，人类精浆中分离的外泌体检测到包含let-7a，let-7b，miR-148a，miR-375和miR-99a等miRNA，这些miRNAs与生殖器驻留免疫相关。精浆来源的外泌体还有助于阻断HIV的感染。胎盘滋养细胞来源的外泌体可将一类miRNA输送至非胎盘细胞，促进自噬和病毒防御机能。有趣的是，妊娠晚期小鼠的血浆外泌体可以诱导近产期的孕鼠早产，但对妊娠早期的小鼠没有影响。母乳中的外泌体也对婴儿的免疫系统有帮助。
 
外泌体与免疫调节：

图6. 外泌体与免疫

不同的细胞来源的外泌体，包括免疫细胞(B细胞和树突状细胞)、癌细胞、上皮细胞和间充质细胞，释放出带有载体的外泌体，可影响先天免疫系统和适应性免疫系统中受体细胞的增殖和各自的活性。外泌体调控免疫效应主要通过两种方式：携带MHC-peptide的外泌体可直接通过抗原递呈作用激活免疫系统；外泌体携带的DNA分子通过cGAS-STING通路激活免疫效应通路。

抗原细胞来源的外泌体可以直接通过携带的结合了抗原肽的MHC-II激活T细胞，但外泌体单独对T细胞的激活作用有限。携带了结合肿瘤特异性抗原的MHC-II的外泌体在小鼠体内可显著抑制肿瘤生长，这些外泌体可能通过激活抗原提呈细胞间接激活naïve T细胞和B细胞，也可能促进CD4+T细胞的扩增。巨噬细胞来源的外泌体还可能促进了抗细菌免疫效应的激活过程。外泌体携带的核酸分子也参与了先天性和适应性免疫活动。此外，来自间充质干细胞，甚至癌细胞的外泌体也在免疫活动过程中发挥了特殊的作用。

外泌体与肿瘤免疫耐受及病毒传播过程均有关系。黑色素瘤细胞来源的外泌体携带PD-L1，可直接抑制CD8+T细胞的活性，抑制树突状细胞的成熟，并诱导淋巴结中T细胞耗竭，与肿瘤免疫耐受密切相关。黑色素瘤和前列腺癌来源外泌体还可携带FasL，可诱导T细胞的凋亡。肿瘤来源的CD39+或CD73+的外泌体也可以介导免疫效应沉默作用。

总之，外泌体与免疫系统存在错综复杂的关系，不同细胞来源的外泌体在一些生理和病理相关的免疫活动中均有重要功能，是外泌体生物学功能研究的重要方向之一。
 
外泌体与代谢性疾病、心血管疾病及神经退行性疾病：
 

外泌体可以通过携带miRNA或代谢物分子在代谢性疾病和心血管疾病的发生发展过程中起作用。一些肿瘤来源的外泌体可能通过携带的物质改变非肿瘤细胞的代谢方式，如胰岛β细胞，脂肪细胞等等，帮助恶病质和副肿瘤综合征病症发展。体外培养细胞动脉粥样硬化，糖尿病相关的心血管疾病和与心力衰竭疾病模型细胞收集的外泌体与疾病相关的代谢适应有关。体外培养的间充质干细胞和胚胎干细胞的外泌体具有保护心血管的作用。这些发现表明不同来源的外泌体可以通过传递miRNA，蛋白等物质改变受体细胞的代谢状态。

神经退行性疾病往往伴随致病性蛋白沉淀物的积累，外泌体可能是细胞清除这类致病性蛋白沉淀的重要方式。阿兹海默症病人脑脊液外泌体中均可检测到Tau和Aβ蛋白。类似的现象也在帕金森综合征和肌萎缩侧索硬化病中发现。帕金森综合征病人脑脊液外泌体可检测到α-突触核蛋白，肌萎缩侧索硬化病人外泌体中也可以检测到超氧化物歧化酶1或TDP-43。

 
外泌体在疾病诊断中的应用：
 

外泌体生成机制表明，通过分析外泌体的组分，可以帮助识别其来源的细胞类型。这一特性被用于开发心血管疾病，中枢神经系统疾病和肿瘤的分子诊断方法，也在肝，肾，肺相关疾病的诊断中得到重视。还有一些研究表明外泌体中携带的肿瘤来源DNA片段可有助于肿瘤相关DNA突变的检测。此外，外泌体相关的miRNA在肿瘤诊断中具有较高的价值，如miR-100，miR-21等等。除了miRNA，一些外泌体蛋白也可能用于分子诊断，例如GPC1，CD147等等。
 
外泌体在疾病治疗中的应用：

图7. 外泌体作为疾病治疗的工具

从树突状细胞、成纤维细胞和间充质细胞中分离出的治疗性外泌体可对靶细胞产生特定的作用，包括新抗原呈递、免疫调节和药物有效载荷传递。治疗性外泌体对靶细胞的影响可能是通过不同的进入或相互作用机制来控制的。完整的外泌体的进入可能包括受体介导的内吞作用、网格蛋白包被、脂筏、吞噬作用、内吞和胞饮作用等。外泌体内容物的进入或外泌体信号的诱导可能涉及配体受体诱导的细胞内信号或融合，从而将外泌体内容物沉积到细胞质中。一些研究表明，小鼠体内外泌体的免疫清除率比脂质体低，因此可以作为潜在的给药工具。基于外泌体实现siRNA的定向给药已经取得了一些可喜的进展。还有一些研究利用外泌体实现对肿瘤免疫机制的干预。

篇幅有限，本文仅列举了部分主要内容，文中作者列举了大量实例，并提出了更多的假设，欢迎下载原文深入研读。

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