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外泌体:蕴含“大宝藏”的小囊泡

2020-12-28颜珊珊 张锋 黄浩

中学生物学 2020年9期
关键词:载体

颜珊珊 张锋 黄浩

摘要 对外泌体的研究进展进行综述。外泌体是多种细胞均可分泌的一种纳米级胞外囊泡,能携带脂质、蛋白质和复杂RNA等生物活性物质,通过与细胞膜融合释放囊泡内容物进入细胞外环境,影响邻近或远处细胞。外泌体可参与细胞间信号转导,尤其在肿瘤微环境中通过传递癌或抑癌信息,影响肿瘤的发展进程。

关键词 外泌体 生物标志物 药物运输 载体

中图分类号 Q-49 文献标志码 E

细胞是生命系统的基本结构和功能单位,每时每刻都在进行着新陈代谢,产生各种各样的物质,其中既有细胞代谢产生的“坏东西”,也有一些可被其他细胞利用的“好东西”。曾经人们一直认为这些细胞代谢排出的“垃圾”都被一种称之为“外泌体”的囊泡状结构所收集并运输,因此把“外泌体”称为细胞的“垃圾袋”。然而,随着生命科学的研究,科学家发现外泌体是细胞之间交流的一个重要分子,其中丰富的内容物具有重要的生物学意义。研究还发现,外泌体可作为临床疾病诊断的生物标志物和药物运输的载体。可以说,外泌体己经不再是以前的“垃圾袋”了,而是蕴含着“大宝藏”的小囊泡。下面将对外泌体及其在疾病诊疗中的应用进行概述。

1 外泌体概述

1.1 外泌体的发现

早在1983年,科学家分别在大鼠和绵羊网织红细胞中观察到一种由细胞产生、通过与质膜融合而释放的胞外囊泡,随后Johnstone将其命名为“Exosome”——外泌体。起初外泌体被认为是容纳细胞碎片和代谢废物的“袋子”,但后来人们发现外泌体的“本领”不小,它不仅参与细胞免疫,而且可攜带mRNA、微小RNA (miRNA)、长链非编码RNA (lncRNA)和线粒体RNA等核酸内容物,完成细胞间相互的信息传递。外泌体还具有生物学活性,是细胞间通信的重要信号载体,由此引发了针对外泌体的研究热潮。

1.2 外泌体的形成

外泌体是一种直径约30-150 nm、具有脂质双分子层的囊泡。机体中众多类型细胞如肥大细胞、树突状细胞、肿瘤细胞、表皮细胞和神经细胞等均可释放外泌体。外泌体广泛存在于各种体液中,如血液、尿液、唾液、母乳、脑脊液和胸腔积液等。

外泌体的形成方式不同于普通微囊泡的出芽,它起源于早期胞内体,随着胞质内miRNA、酶分子和热休克蛋白等一些“宝贝”的包裹进入,逐渐形成晚期胞内体即多囊泡小体(multivesicular bodies,MVBs),MVBs与细胞膜融合,以胞吐方式向细胞外释放小囊泡,即外泌体。

2 外泌体的结构与组成

体液中的外泌体主要呈球形,而在电镜下主要为杯形。外泌体由脂质双分子层的外膜和内容物构成,其中蕴含的“大宝藏”主要包括脂质、蛋白质、RNA等生物活性物质,但是缺乏高尔基体、内质网等普通细胞中常见的细胞器。

2.1 外泌体中的脂质

外泌体富含脂质,脂质成分与细胞膜接近,包括鞘磷脂、胆固醇、磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸和神经酰胺等。这些脂质既能维持外泌体的结构,也能保护内容物的成分完整。此外,一些特定脂质还能承担细胞间通讯介导因子的角色。

2.2 外泌体中的蛋白质

外泌体所含蛋白质种类繁多,一般由其母代细胞决定,大致可分为非特异性蛋白质和特异性蛋白质。非特异性蛋白质是指几乎所有外泌体均含有的蛋白质,如细胞骨架蛋白、跨膜蛋白、膜转运融合蛋白、核糖体蛋白、信号转导因子以及黏附因子等。其中四跨膜蛋白(例如CD9、CD37和CD63等)在外泌体表面高度富集,能够促进其他膜蛋白的运输、稳定性和低聚。因此可借助蛋白免疫印迹法,通过检定CD63或CD9的条带及钙联蛋白含量来证实外泌体提取的纯度。外泌体还含有由特定细胞分泌的特异性蛋白质,如肿瘤细胞来源的外泌体上携带的大量肿瘤抗原;抗原呈递细胞分泌的外泌体含有的高水平的Ⅱ类组织相容性复合物(maj or histocompatibility complex-Ⅱ,MHC-Ⅱ);急性肾损伤患者的尿外泌体中表达显著增高的胎球蛋白A等,这些特异性蛋白质可能与介导细胞信号转导有关,在免疫和肿瘤等多种生理病理过程中发挥重要作用,也使得外泌体可以作为疾病或肿瘤的标志物。

2.3 外泌体中的核酸

外泌体含有丰富的核酸,包括基因组DNA和多种RNA。外泌体RNA包括少量mRNA以及非编码RNA。这些非编码RNA包括miRNA、IncRNA、小核RNA(small nuclearRNA, snRNA)和转移RNA( transfer-RNA,tRNA)等。Valadi等首次证明了在外泌体中有miRNA的存在以及通过外泌体在细胞间进行运输,亲本细胞释放的miRNA通过介导细胞间通讯进而调节基因的表达。

3 外泌体的生理病理功能

越来越多的研究表明外泌体不是细胞的“垃圾袋”,而是具有重要生物学功能的“宝箱”。在正常细胞中,外泌体参与许多生理过程,如凝血、免疫调节、干细胞分化、组织再生和自噬等。还有研究显示,外泌体通过参与神经元与神经胶质细胞之间的相互信息传递,从而调节轴突生长和突触形成。在肿瘤细胞中,外泌体可以与附近甚至远处的细胞传递信息,能在一定程度上改变局部基质细胞行为,产生促进肿瘤血管生成、免疫抑制等有利于肿瘤生长和转移的促肿瘤微环境。因此,外泌体无论在正常细胞还是肿瘤细胞中都具有重要的生物学功能。

4 外泌体在疾病诊疗中的应用

4.1 生物标志物

随着肿瘤研究的不断深入,肿瘤细胞特异性标志物己逐渐成为肿瘤诊断中必不可少的检测项目。外泌体中含有大量与来源细胞相关的核酸和蛋白质,磷脂双分子层可以保护其免被降解,又因为其广泛存在于体液中,容易获得且检测更加灵敏,因此可作为液体活检的检测靶点。外泌体具有一定的细胞特异性,携带大量与来源细胞相关的生物活性分子,这些特征性物质在正常和病理条件下含量的差异具有衡量细胞生理状态的潜力,因此外泌体在疾病的早期诊断中具有重要的研究和应用价值。目前常见的外泌体中分子检测物质包括蛋白质、RNA和脂质。Melo等人通过对大量胰腺癌患者的血清样本分析发现,患者血清中富含多糖磷脂酰肌醇聚糖-1(GPC-1),这是一种胰腺癌病人中癌细胞来源的外泌体所特有的蛋白多糖,其能够以百分百的敏感性和准确性诊断出早期和晚期胰腺癌。Zhao等人将直接定量的方法应用于临床样品并结合基于RNA的miRNA筛选分析,在转移性乳腺癌患者中证实了血液中miR-106a的上调,表明miR- 106a是转移性乳腺癌的潜在生物标志物。Skotland等人通过比较前列腺癌患者和健康对照组志愿者中尿液外泌体脂质成分的差异,首次发现外泌体脂质在尿液中作为前列腺癌生物标志物的潜在用途。

4.2藥物载体

由于人体存在保护机制,很多治疗药物不能穿过人体的血脑屏障,阻碍药物输送,并且有可能导致机体产生免疫反应。而外泌体作为新型药物载体具有诸多优势:①外泌体是天然的,仅有纳米级大小,与质膜构造非常相似,能够跨越血脑屏障,避免被吞噬以及降低自身免疫反应;②外泌体能够在生理和病理条件下实现在体内的长距离运输,稳定性好,因此可以将药物运送到特定细胞;③外泌体具有亲水性,可以运送水溶性药物,也可以通过与脂质融合运送外源性疏水物质。研究表明外泌体经过适当的蛋白修饰可以延长在血液中的循环时间,并靶向递送药物至肺癌细胞,提高肺癌患者的生存率。O' BRIEN研究团队通过工程化改造间充质干细胞以分泌富含miR-379的外泌体用于乳腺癌的体内治疗,取得了很好的疗效。此外,研究者在试图解决神经退行性疾病病理过程中发现外泌体可以作为治疗的天然递送载体,HaKatsu-da等人在研究中发现脂肪细胞衍生的间充质干细胞外泌体含有脑啡肽酶,能够减少3-淀粉样蛋白肽( am-yloid3-protein,A[3)的聚集,从而减轻阿尔茨海默氏症( Alzheimer's disease,AD)的症状。

5 挑战与展望

外泌体在生物细胞体系中广泛存在,其生物学功能也渐渐被人们所发现,小小的外泌体竟然蕴含着“大宝藏”!外泌体在疾病诊断和药物送递方面有着令人兴奋的应用前景,但是在研究的道路上还是存在着不少挑战。首先,外泌体在研究过程中存在分离纯化成本较高、操作复杂等问题;其次,检测样本中包含有许多与外泌体相似的组成,如细胞碎片和其他细胞外囊泡或微泡,会干扰鉴定的准确性;最后,由于外泌体装载药物容量有限,使得靶细胞或靶器官的药物浓度可能无法满足治疗需要。因此,研究更加高效的分离纯化技术,提升检测的灵敏度和特异性,是外泌体真正成为临床生物标志物必须跨越的障碍;优化药物的加载方式,研发精确、无副作用的靶向系统,是外泌体真正承担临床药物运输载体必须面对的困难。相信随着研究的深入和技术创新,外泌体将会为临床疾病特别是肿瘤的诊断和治疗提供新的思路和方案。

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