外泌体的生物学、功能及生物医学应用
作者信息
Raghu Kalluri
1 德克萨斯大学MD安德森癌症中心癌症生物学系，转移研究中心，休斯顿，德州，美国
2 莱斯大学生物工程学院，休斯顿，德州，美国
3 贝勒医学院分子与细胞生物学系，休斯顿，德州，美国
Valerie S LeBleu
1 德克萨斯大学MD安德森癌症中心癌症生物学系
摘要
细胞外囊泡（EVs）的研究为细胞间通讯及器官稳态与疾病机制提供了新视角。外泌体（平均直径约100纳米）作为EVs的亚型，其生物合成涉及内体起源及与其他细胞器的相互作用，内容物包含核酸、蛋白质、脂质、氨基酸和代谢物，可反映细胞来源特征。在外泌体检测技术进步的基础上，其在液体活检中的多组分诊断潜力及作为治疗载体的设计策略已显现。
研究背景
所有细胞（原核与真核）在生理状态下或异常状态时均会释放EVs。EVs主要分为两大类：质膜外泌的微囊泡（ectosomes，50nm-1μm）和内体起源的外泌体（40-160nm）。外泌体的形成过程涉及质膜的双次内陷，其内容物的多样性源于细胞起源差异、代谢状态及环境因素。虽然外泌体的生理功能尚待阐明，其通过清除细胞多余物质维持稳态以及介导信号传导的功能已被证实。
研究进展
外泌体与免疫反应、病毒致病性、妊娠、心血管疾病、中枢神经系统疾病和癌症进展密切相关。其通过递送蛋白质、代谢物和核酸至受体细胞，可调节肿瘤微环境、免疫细胞分化及神经退行性病变。当前研究聚焦于外泌体分离技术的标准化及功能异质性的解析。通过基因工程改造的外泌体已成功递送siRNA、反义寡核苷酸和化疗药物至靶器官，其脂质和蛋白质组成决定了药代动力学特性及生物利用度。
研究展望
外泌体研究的突破依赖于单颗粒检测技术的提升及体内外模型的建立。通过构建组织特异性外泌体生成的小鼠模型，可揭示外泌体在器官间通讯中的因果作用。年龄相关外泌体变化对组织衰老和器官退化的影响尚需探索。冷冻电镜和单外泌体分析技术的结合将深化其基础生物学研究，促进诊断和治疗应用的转化。
外泌体的生物合成
外泌体起源于质膜的双次内陷形成早期内体（ESE），继而与高尔基体或内质网来源的囊泡相互作用，形成晚期分泌内体（LSE）并最终生成含腔内囊泡（ILVs）的多囊泡体（MVBs）。MVBs通过与溶酶体融合降解内容物，或与质膜融合释放外泌体（直径40-160nm）。Rab GTP酶、ESCRT蛋白、鞘磷脂酶等分子在生物合成中发挥关键作用，但其具体调控机制仍需深入研究。
外泌体异质性
外泌体的异质性体现在：
- 大小差异：MVBs膜内陷不均导致内容物差异
- 功能差异：不同来源外泌体可诱导受体细胞生存、凋亡或免疫调节
- 组织特异性：肿瘤来源外泌体通过特定整合素介导器官亲和性转移
- 分子组成：蛋白质、代谢物和核酸的多样性反映细胞状态
细胞间通讯机制
外泌体介导的信号传导具有靶向性：
- 胰腺癌细胞外泌体通过巨胞饮作用进入受体细胞
- 黑色素瘤细胞通过膜融合摄取外泌体
- 神经内分泌PC12细胞依赖clathrin途径摄取
外泌体携带的mRNA、miRNA和DNA可调控受体细胞功能：
- 突变EGFR+胶质瘤外泌体富集促侵袭分子
- 炎症因子刺激的神经干细胞外泌体通过IFNγ-IFNGR1激活STAT1信号
生殖与发育
外泌体在人类生殖和胚胎发育中发挥关键作用：
- 精浆外泌体通过miRNA（let-7a/b、miR-148a、miR-375、miR-99a）调节生殖免疫
- 妊娠期母体血浆外泌体miRNA谱可反映胎儿健康状态
- 乳腺牛奶外泌体促进新生儿免疫耐受和肠道发育
免疫反应与感染
外泌体在免疫调控中呈现双重性：
- 抗原呈递细胞（APC）来源外泌体可激活T细胞（如肿瘤抗原呈递）
- 肿瘤来源外泌体通过PD-L1和FasL表达诱导T细胞耗竭
- HIV-1受体CD4在T细胞外泌体中表达，Nef蛋白可抑制外泌体CD4水平从而增强感染
代谢与心血管疾病
外泌体在代谢性疾病中的机制：
- 肥胖小鼠模型中，外泌体miR-122促进脂肪细胞胰岛素抵抗
- 胰腺癌患者外泌体携带肾上腺髓质素诱导脂肪分解
- 内皮细胞外泌体通过抑制CD36表达减轻动脉粥样硬化
神经退行性疾病
外泌体在神经疾病中的双重角色：
- 生理状态：清除错误折叠蛋白（如Tau、Aβ）发挥神经保护作用
- 病理状态：传播病理蛋白聚集体（如突变α-突触核蛋白）
- 脑脊液外泌体中mtDNA激活小胶质细胞IL-1β分泌，与自闭症相关
癌症机制
外泌体在肿瘤进展中具有多重作用：
- 促癌作用：乳腺癌外泌体miR-122抑制肺部糖代谢，促进转移
- 免疫逃逸：肿瘤相关成纤维细胞（CAF）外泌体转移miR-21-5p至卵巢癌细胞，通过APAF1抑制顺铂疗效
- 耐药传播：CAF外泌体通过miR-22传递促进胰腺癌细胞氧化磷酸化
临床应用
诊断潜力
外泌体在液体活检中的应用：
- 循环外泌体DNA检测可识别KRAS和TP53突变（胰腺癌、结直肠癌）
- 特异性miRNA（如miR-21、miR-155）和蛋白标志物（GPC1）用于癌症诊断
- 磷脂酰丝氨酸（PtdSer）组成可早期检测肿瘤
治疗开发
工程化外泌体的治疗应用：
- 肿瘤治疗：负载KrasG12D siRNA的间充质干细胞（MSC）外泌体（iExosomes）显著延长胰腺癌小鼠生存期
- 神经疾病：靶向α-突触核蛋白的外泌体减少帕金森病模型小鼠的病理聚集
- 免疫调节：CD40L修饰的外泌体促进树突状细胞成熟，增强抗肿瘤免疫
结论
尽管外泌体研究多基于体外模型，但动物实验的进展为功能验证提供了关键证据。当前研究需解决：
- 外泌体分离方法的标准化
- 体内生理水平外泌体的功能验证
- 原始生命体与外泌体起源的关系
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