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2022-09-08

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外泌体含有来自原始细胞的复杂内容，包括蛋白质、脂类、mRNA、miRNA和DNA。

什么是外泌体？

外泌体是一类源于内体的细胞外囊泡，通常直径为30-150纳米，是最小的细胞外囊泡类型[1]。由脂质双层包裹的外泌体被释放到细胞外环境中，含有来自原始细胞的复杂内容，包括蛋白质、脂质、mRNA、miRNA和DNA[2]。外泌体的定义是它们是如何形成的--通过多泡体的融合和外渗进入细胞外空间。

多泡体[*]是内细胞途径中独特的细胞器，作为早期和晚期内体之间的中介发挥作用[3]。多泡体的主要功能是将将被回收到其他地方的成分与那些将被溶酶体降解的成分分开[4]。积聚在多泡体中的囊泡在细胞质内时被归类为腔内囊泡--在从细胞中释放时被归类为外泌体。

[*] 令人困惑的是，文献中存在不一致的地方；一些资料将多泡体与晚期内膜体区分开来，而其他资料则将两者互换使用。

为什么它们会受到关注，它们有什么作用？

外泌体因其在细胞生物学中的作用，以及其潜在的治疗和诊断应用而受到普遍关注。人们最初认为，外泌体只是细胞的废物，然而现在人们知道它们的功能已经超出了清除废物的范围。外泌体代表了一种新的细胞交流模式，对健康和疾病的一系列生物过程做出了贡献[2]。

人们认为外泌体发挥其作用的主要机制之一是通过外泌体相关的RNA转移到受体细胞，在那里影响蛋白质机制。越来越多的证据支持这一观点，如在受体细胞中发现了完整的、有功能的外泌体RNA，某些RNA结合蛋白也被确认为可能在RNA向靶细胞的转移中起作用[5,6]。微核糖核酸和长非编码核糖核酸通过外泌体穿梭，改变基因表达，而蛋白质（如热休克蛋白、细胞骨架蛋白、粘附分子、膜转运器和融合蛋白）可以直接影响目标细胞[7,8]。

外泌体已被描述为健康和疾病的信使。虽然它们对正常的生理状况是必不可少的，但在疾病状态下，它们也会起到增强细胞压力和损害的作用[2]。

它们是如何产生的？

多泡体是内体的一个专门的子集，它含有与膜结合的腔内囊泡。腔内囊泡本质上是外泌体的前体，通过出芽进入多泡体的腔内而形成。大多数腔内囊泡与溶酶体融合，以便随后降解，而其他囊泡则被释放到细胞外空间[9,10]。被分泌到细胞外空间的腔内囊泡成为外泌体。这种释放发生在多泡体与质膜融合的时候。

外泌体的形成和降解。

这是一个活跃的研究领域，目前还不知道外泌体的释放是如何调节的。然而，最近成像协议的进展可能使外泌体释放事件在高时空分辨率下被可视化[11]。

它们在疾病中发挥什么作用？

外泌体已被牵涉到多种疾病中，包括神经退行性疾病、癌症、肝病和心力衰竭。与其他微囊泡一样，外泌体的功能可能取决于它们携带的货物，而货物又取决于它们产生的细胞类型[12]。研究人员已经通过一系列方法研究了疾病中的外泌体，包括：

➤ 从培养的细胞中分离出外泌体，在不同的细胞培养研究中观察其效果

➤ 比较各种健康和疾病的生物流体中的外泌体

➤ 阻断外泌体的分泌并观察其变化

在癌症中，外泌体在转移性扩散、耐药性和血管生成中具有多种作用。具体来说，外泌体可以改变细胞外基质，为迁移的肿瘤细胞创造空间[13,14]。一些研究还表明，外泌体可以通过影响参与肿瘤抑制和细胞外基质降解的基因，增加癌细胞的迁移、侵袭和分泌[15,16]。

通过一般的细胞串联，外泌体miRNA和lncRNA影响肺部疾病的进展，包括慢性阻塞性肺病（COPD）、哮喘、肺结核和间质性肺部疾病。氧化剂暴露等压力源可以影响外泌体的分泌和货物，进而影响炎症反应[17]。疾病状态下的外泌体概况改变也意味着外泌体在许多其他情况下的作用，如在神经退行性疾病和精神障碍中[18,19]。

暴露在细菌中的细胞会释放外泌体，这些外泌体就像毒素的诱饵，表明在感染期间有保护作用[20]。在神经元回路发展中，以及在许多其他系统中，外泌体信号很可能是重叠的、有时是对立的信号网络的总和[21]。

它们如何用于诊断？

外泌体可以作为潜在的生物标志物，因为其内容是其起源细胞的分子特征。由于脂质双层，外泌体内容物相对稳定，并受到外部蛋白酶和其他酶的保护，使其成为有吸引力的诊断工具。越来越多的报告显示，与健康人相比，某些病症患者的外泌体miRNA和lncRNA谱系不同[17]。因此，基于外泌体的诊断测试正被用于癌症、糖尿病和其他疾病的早期检测[22,23]。

许多外泌体蛋白质、核酸和脂质被探索为潜在的临床相关生物标志物[24]。磷酸化蛋白是很有前途的生物标志物，即使在冰箱里放了五年也能从外泌体样品中分离出来[25]，而外泌体的microRNA似乎也是高度稳定的[26]。外泌体也很容易获得，因为它们存在于各种各样的生物流体中（包括血液、尿液、唾液、眼泪、腹水、精液、初乳、母乳、羊水和脑脊液），为液体活检创造了许多机会。

外泌体的治疗应用

外泌体正在被追求用于一系列潜在的治疗应用。虽然外部修饰的囊泡存在毒性和快速清除的问题，但天然形成的囊泡的膜具有更好的耐受性，提供低免疫原性和在细胞外液中的高复原力[27]。这些 "天然配备 "的纳米囊泡可以作为治疗目标或设计成药物输送系统。

外泌体带有表面分子，使其能够靶向受体细胞，在那里传递其有效载荷。这可以用来将它们定向到患病的组织或器官[27]。至少在某些条件下，外泌体可以穿过血脑屏障[28]，并可用于传递一系列的疗法，包括小分子、RNA疗法、蛋白质、病毒基因疗法和CRISPR基因编辑。

创造载药外泌体的不同方法包括[27]：

➤ 将药物纳入已从供体细胞中纯化的外泌体中

➤ 用药物装载细胞，然后将其包含在外泌体中

➤ 用编码有治疗作用的化合物的DNA转染细胞，然后将其包含在外泌体中。

外泌体作为补充嵌合抗原受体T（CAR-T）细胞攻击癌细胞的一种方式具有巨大潜力。从CAR-T细胞中释放出来的CAR外泌体在其表面携带CAR，并表达高水平的细胞毒性分子，抑制肿瘤的生长[29]。携带相关抗原的癌细胞源性外泌体也已被证明可以招募抗肿瘤免疫反应[30]。

分离和检测的方法

外泌体的纯化是开发转化工具的一个关键挑战。外泌体必须与其他不同的细胞外囊泡群体区分开来，如微囊泡（从质膜脱落，也被称为外泌体或脱落囊泡）和凋亡体[31]。尽管超速离心法被认为是分离外泌体的金标准，但它有许多缺点，目前正在寻找分离外泌体的替代方法。外泌体分离是一个活跃的研究领域（见表1），许多研究小组正在寻求克服下面列出的缺点的方法，同时在这个过程中克服相关的监管障碍。

表1 | 外泌体分离方法的概述

本文由诊断科学编辑团队收集、整理和编撰

参考文献

[1] Brennan, K., Martin, K., FitzGerald, S. P., Sullivan, J. O., Wu, Y., Blanco, A., Richardson, C., & Mc Gee, M. M. (2020). A comparison of methods for the isolation and separation of extracellular vesicles from protein and lipid particles in human serum | Scientific Reports. Scientific Reports, 10(1039). https://www.nature.com/articles/s41598-020-57497

[2] Isola, A., & Chen, S. (2016). Exosomes: The Messengers of Health and Disease. Current Neuropharmacology, 15(1), 157–165. https://doi.org/10.2174/1570159X14666160825160421

[3] Gruenberg, J., & Stenmark, H. (2004). The biogenesis of multivesicular endosomes.Nature Reviews Molecular Cell Biology, 5(4), 317–323. https://doi.org/10.1038/nrm1360

[4] Piper, R. C., & Katzmann, D. J. (2007). Biogenesis and Function of Multivesicular Bodies. Annual Review of Cell and Developmental Biology, 23(1), 519–547. https://doi.org/10.1146/annurev.cellbio.23.090506.123319

[5] Harding, C. V., Heuser, J. E., & Stahl, P. D. (2013). Exosomes: Looking back three decades and into the future. The Journal of Cell Biology, 200(4), 367–371. https://doi.org/10.1083/jcb.201212113

[6] Statello, L., Maugeri, M., Garre, E., Nawaz, M., Wahlgren, J., Papadimitriou, A., Lundqvist, C., Lindfors, L., Collén, A., Sunnerhagen, P., Ragusa, M., Purrello, M., Di Pietro, C., Tigue, N., & Valadi, H. (2018). Identification of RNA-binding proteins in exosomes capable of interacting with different types of RNA: RBP-facilitated transport of RNAs into exosomes. PLOS ONE, 13(4), e0195969. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0195969

[7] Behbahani, G. D., Khani, S., Hosseini, H. M., Abbaszadeh-Goudarzi, K., & Nazeri, S. (2016). The role of exosomes contents on genetic and epigenetic alterations of recipient cancer cells. Iranian Journal of Basic Medical Sciences, 19(10), 1031–1039.

[8] Di Leva, G., & Croce, C. M. (2013). MiRNA profiling of cancer. Current Opinion in Genetics & Development, 23(1), 3–11. https://doi.org/10.1016/j.gde.2013.01.004

[9] Huotari, J., & Helenius, A. (2011). Endosome maturation: Endosome maturation. The EMBO Journal, 30(17), 3481–3500. https://doi.org/10.1038/emboj.2011.286

[10] van Niel, G., D’Angelo, G., & Raposo, G. (2018). Shedding light on the cell biology of extracellular vesicles. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 19(4), 213–228. https://doi.org/10.1038/nrm.2017.125

[11] Bebelman, M. P., Bun, P., Huveneers, S., van Niel, G., Pegtel, D. M., & Verweij, F. J. (2020). Real-time imaging of multivesicular body–plasma membrane fusion to quantify exosome release from single cells. Nature Protocols, 15(1), 102–121. https://doi.org/10.1038/s41596-019-0245-4

[12] Muralidharan-Chari, V., Clancy, J. W., Sedgwick, A., & D’Souza-Schorey, C. (2010). Microvesicles: Mediators of extracellular communication during cancer progression. Journal of Cell Science, 123(10), 1603–1611. https://doi.org/10.1242/jcs.064386

[13] Weidle, U. H., Birzele, F., Kollmorgen, G., & Rüger, R. (2017). The Multiple Roles of Exosomes in Metastasis. Cancer Genomics & Proteomics, 14(1), 1–16. https://doi.org/10.21873/cgp.20015

[14] Mu, W., Rana, S., & Zöller, M. (2013). Host Matrix Modulation by Tumor Exosomes Promotes Motility and Invasiveness. Neoplasia, 15(8), 875-IN4. https://doi.org/10.1593/neo.13786

[15] Zhang, L., Zhang, S., Yao, J., Lowery, F. J., Zhang, Q., Huang, W.-C., Li, P., Li, M., Wang, X., Zhang, C., Wang, H., Ellis, K., Cheerathodi, M., McCarty, J. H., Palmieri, D., Saunus, J., Lakhani, S., Huang, S., Sahin, A. A., … Yu, D. (2015). Microenvironment-induced PTEN loss by exosomal microRNA primes brain metastasis outgrowth. Nature, 527(7576), 100–104. https://doi.org/10.1038/nature15376

[16] Wu, D., Deng, S., Liu, T., Han, R., Zhang, T., & Xu, Y. (2018). TGF-β-mediated exosomal lnc-MMP2-2 regulates migration and invasion of lung cancer cells to the vasculature by promoting MMP2 expression. Cancer Medicine, 7(10), 5118–5129. https://doi.org/10.1002/cam4.1758

[17] Li, Y., Yin, Z., Fan, J., Zhang, S., & Yang, W. (2019). The roles of exosomal miRNAs and lncRNAs in lung diseases. Signal Transduction and Targeted Therapy, 4(1), 47. https://doi.org/10.1038/s41392-019-0080-7

[18] Shi, M., Liu, C., Cook, T. J., Bullock, K. M., Zhao, Y., Ginghina, C., Li, Y., Aro, P., Dator, R., He, C., Hipp, M. J., Zabetian, C. P., Peskind, E. R., Hu, S.-C., Quinn, J. F., Galasko, D. R., Banks, W. A., & Zhang, J. (2014). Plasma exosomal α-synuclein is likely CNS-derived and increased in Parkinson’s disease. Acta Neuropathologica, 128(5), 639–650. https://doi.org/10.1007/s00401-014-1314-y

[19] Saeedi, S., Israel, S., Nagy, C., & Turecki, G. (2019). The emerging role of exosomes in mental disorders. Translational Psychiatry, 9(1), 122. https://doi.org/10.1038/s41398-019-0459-9

[20] Keller, M. D., Ching, K. L., Liang, F.-X., Dhabaria, A., Tam, K., Ueberheide, B. M., Unutmaz, D., Torres, V. J., & Cadwell, K. (2020). Decoy exosomes provide protection against bacterial toxins. Nature, 579(7798), 260–264. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2066-6

[21] Sharma, P., Mesci, P., Carromeu, C., McClatchy, D. R., Schiapparelli, L., Yates, J. R., Muotri, A. R., & Cline, H. T. (2019). Exosomes regulate neurogenesis and circuit assembly. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(32), 16086–16094. https://doi.org/10.1073/pnas.1902513116

[22] Halvaei, S., Daryani, S., Eslami-S, Z., Samadi, T., Jafarbeik-Iravani, N., Bakhshayesh, T. O., Majidzadeh-A, K., & Esmaeili, R. (2018). Exosomes in Cancer Liquid Biopsy: A Focus on Breast Cancer. Molecular Therapy - Nucleic Acids, 10, 131–141. https://doi.org/10.1016/j.omtn.2017.11.014

[23] Chang, W., & Wang, J. (2019). Exosomes and Their Noncoding RNA Cargo Are Emerging as New Modulators for Diabetes Mellitus. Cells, 8(8), 853. https://doi.org/10.3390/cells8080853

[24] Huang, T., & Deng, C.-X. (2019). Current Progresses of Exosomes as Cancer Diagnostic and Prognostic Biomarkers. International Journal of Biological Sciences, 15(1), 1–11. https://doi.org/10.7150/ijbs.27796

[25] Chen, I.-H., Xue, L., Hsu, C.-C., Paez, J. S. P., Pan, L., Andaluz, H., Wendt, M. K., Iliuk, A. B., Zhu, J.-K., & Tao, W. A. (2017). Phosphoproteins in extracellular vesicles as candidate markers for breast cancer. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(12), 3175–3180. https://doi.org/10.1073/pnas.1618088114

[26] Taylor, D. D., & Gercel-Taylor, C. (2008). MicroRNA signatures of tumor-derived exosomes as diagnostic biomarkers of ovarian cancer. Gynecologic Oncology, 110(1), 13–21. https://doi.org/10.1016/j.ygyno.2008.04.033

[27] Batrakova, E. V., & Kim, M. S. (2015). Using exosomes, naturally-equipped nanocarriers, for drug delivery. Journal of Controlled Release, 219, 396–405. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2015.07.030

[28] Chen, C. C., Liu, L., Ma, F., Wong, C. W., Guo, X. E., Chacko, J. V., Farhoodi, H. P., Zhang, S. X., Zimak, J., Ségaliny, A., Riazifar, M., Pham, V., Digman, M. A., Pone, E. J., & Zhao, W. (2016). Elucidation of Exosome Migration Across the Blood–Brain Barrier Model In Vitro. Cellular and Molecular Bioengineering, 9(4), 509–529. https://doi.org/10.1007/s12195-016-0458-3

[29] Fu, W., Lei, C., Liu, S., Cui, Y., Wang, C., Qian, K., Li, T., Shen, Y., Fan, X., Lin, F., Ding, M., Pan, M., Ye, X., Yang, Y., & Hu, S. (2019). CAR exosomes derived from effector CAR-T cells have potent antitumour effects and low toxicity. Nature Communications, 10(1), 4355. https://doi.org/10.1038/s41467-019-12321-3

[30] Yoshimura, A., Sawada, K., & Kimura, T. (2017). Is the exosome a potential target for cancer immunotherapy? Annals of Translational Medicine, 5(5), 117–117. https://doi.org/10.21037/atm.2017.01.47

[31] Weidle, U. H., Birzele, F., Kollmorgen, G., & Rüger, R. (2017). The Multiple Roles of Exosomes in Metastasis. Cancer Genomics & Proteomics, 14(1), 1–16. https://doi.org/10.21873/cgp.20015

[32] Livshits, M. A., Khomyakova, E., Evtushenko, E. G., Lazarev, V. N., Kulemin, N. A., Semina, S. E., Generozov, E. V., & Govorun, V. M. (2015). Isolation of exosomes by differential centrifugation: Theoretical analysis of a commonly used protocol. Scientific Reports, 5(1), 17319. https://doi.org/10.1038/srep17319

[33] Yu, L.-L., Zhu, J., Liu, J.-X., Jiang, F., Ni, W.-K., Qu, L.-S., Ni, R.-Z., Lu, C.-H., & Xiao, M.-B. (2018). A Comparison of Traditional and Novel Methods for the Separation of Exosomes from Human Samples. BioMed Research International, 2018, 1–9. https://doi.org/10.1155/2018/3634563

[34] Alvarez, M. L., Khosroheidari, M., Kanchi Ravi, R., & DiStefano, J. K. (2012). Comparison of protein, microRNA, and mRNA yields using different methods of urinary exosome isolation for the discovery of kidney disease biomarkers. Kidney International, 82(9), 1024–1032. https://doi.org/10.1038/ki.2012.256

[35] Patel, G. K., Khan, M. A., Zubair, H., Srivastava, S. K., Khushman, M., Singh, S., & Singh, A. P. (2019). Comparative analysis of exosome isolation methods using culture supernatant for optimum yield, purity and downstream applications. Scientific Reports, 9(1), 5335. https://doi.org/10.1038/s41598-019-41800-2

[36] Liang, K., Liu, F., Fan, J., Sun, D., Liu, C., Lyon, C. J., Bernard, D. W., Li, Y., Yokoi, K., Katz, M. H., Koay, E. J., Zhao, Z., & Hu, Y. (2017). Nanoplasmonic quantification of tumour-derived extracellular vesicles in plasma microsamples for diagnosis and treatment monitoring. Nature Biomedical Engineering, 1(4), 0021. https://doi.org/10.1038/s41551-016-0021

[37] Contreras-Naranjo, J. C., Wu, H.-J., & Ugaz, V. M. (2017). Microfluidics for exosome isolation and analysis: Enabling liquid biopsy for personalized medicine. Lab on a Chip, 17(21), 3558–3577. https://doi.org/10.1039/C7LC00592J

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