新一代药物递送载体---外泌体

2024-09-26 10:26:58

在细胞通讯的微观世界里,外泌体作为最小的细胞外囊泡(EV),以其独特的直径范围(30-100 nm)和丰富的生物分子载荷,正逐步成为科学研究的焦点。这些微小却功能强大的囊泡,不仅承载着蛋白质、核酸和脂质,更在细胞间信号转导中扮演着关键角色,预示着它们在药物递送领域的巨大潜力。


在药物递送载体的新兴领域中,外泌体因其独特优势而备受瞩目。这些优势包括但不限于与生物体组织的高度相容性、低毒性特性、较长的半衰期、非免疫原性反应以及对多种细胞的卓越靶向能力。当前,基于外泌体的药物递送系统最快已进展至3期临床试验阶段,其获批上市潜力已逐渐显现。


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外泌体简介

曾几何时,外泌体被误认为是细胞的废弃物或副产物。然而,自1983年首次发现以来,科学家们逐渐揭开了其作为功能性分泌物的面纱。外泌体源自内体,通过复杂的生物合成过程,最终释放到细胞间液中,成为细胞间通讯的重要媒介。它们不仅携带了母细胞的遗传信息(如microRNA、长非编码RNA等),还具备高度的靶向性和生物相容性,为药物递送提供了全新的思路。


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图 1.(A)外泌体的生物发生示意图。(B)外泌体结构组成及其重要生物标志物示意图。


外泌体作为细胞外囊泡的一种,与微囊泡(MV)和凋亡小体等共同构成了细胞分泌的多样体系。通过内体向多泡体(MVB)的转化,外泌体最终从MVB中释放,进入细胞外环境。这一过程不仅依赖于MVB的胆固醇含量等生理因素,还展现了细胞在调控外泌体生成上的精妙机制。


外泌体,作为多泡体(MVB)的衍生产物,其独特的双层脂质结构富含多种关键成分,如不饱和脂肪酸、磷脂酰丝氨酸、聚甘油、鞘磷脂、胆固醇及神经节苷脂。这层结构不仅为外泌体构筑了坚实的屏障,有效保护其装载的分子免受胞内酶解,还确保了这些分子在传输过程中的稳定性。作为细胞间交流的重要媒介,外泌体能够传递复杂的蛋白质、脂质及核酸分子至邻近或远端的细胞,进而影响受体细胞的生理机能,在信号传导、细胞增殖与分化、免疫反应等生物学过程中扮演关键角色。


值得注意的是,外泌体还携带着来自其母细胞的独特“生物指纹”,如CD63、CD9及CD81等特异性生物标志物,以及包含microRNA、长非编码RNA和环状RNA在内的核酸成分。这些特征使得外泌体在多种生理与病理状态中发挥着不可或缺的作用,并作为潜在的生物标志物展现出广阔的应用前景。


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外泌体的扩增和分离

随着研究的深入,外泌体的分离纯化技术也在不断进步。从传统的超速离心法到新兴的免疫分离、超滤等技术,科学家们正努力提高外泌体的产量和纯度。特别是结合高速和超速离心机的创新方法,不仅缩短了分离时间,还显著提升了外泌体的质量和活性,为药物递送系统的开发奠定了坚实基础。


Pascal Rowart等人的研究展示了这一技术的优势,他们通过优化人源脂肪干细胞(hADSC)的培养条件,结合高效的离心分离流程,成功实现了外泌体的高效扩增与快速分离,为外泌体的临床应用奠定了基础。


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Pascal Rowart 等人报道的一种通过结合高速和超速离心机从脂肪源性干细胞中快速扩增、高效分离外泌体方法示意图



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外泌体作为药物递送载体

在药物递送领域,外泌体以其独特的优势脱颖而出。与传统的聚合物材料、脂质体和纳米材料相比,外泌体具有更高的生物相容性、更长的半衰期和更强的靶向性。通过基因工程修饰,外泌体可以精准地靶向特定细胞类型,如癌组织或受损组织,实现药物的精准递送。此外,乳源性外泌体等天然来源的外泌体更是为药物递送系统提供了经济且高效的解决方案。


研究表明,经修饰的外泌体在癌组织中的积累显著增加,为抗癌药物的靶向递送提供了新的策略。此外,乳源性外泌体等天然来源的外泌体,以其经济性和高效性,为药物递送系统提供了新的选择。例如,包裹姜黄素的乳源性外泌体在抗炎和抗肿瘤活性上均表现出色,且生物利用度显著提升。


为进一步提升外泌体的靶向性和功能性,科研人员对其表面进行了多种工程化修饰。例如,Tian等人通过将(cRGDyK)肽与外泌体偶联,成功实现了对老鼠模型中缺血性脑损伤区域的靶向治疗。这一研究为外泌体的工程化应用提供了宝贵策略。另一方面,Warren MR等人则通过添加PEG亲水表面涂层,显著增强了牛乳源外泌体负载siRNA的能力,并验证了聚乙二醇化外泌体在酸性胃肠环境中的优越穿透性和稳定性。 


乳源性外泌体(mExosomes)因其原料来源广泛且经济高效,成为了极具潜力的药物递送系统之一。研究显示,装载姜黄素的mExosomes展现出了增强的抗炎与抗肿瘤活性,且相比游离姜黄素具有更高的生物利用度。


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展望

尽管外泌体在药物递送领域展现出巨大潜力,但其分离纯化、质检和长期存储等工艺仍面临诸多挑战。例如:现有分离方法的低效率导致产量有限且生产成本高昂;外泌体的异质性增加了其表征与应用的复杂性;同时,关于外泌体最稳定储存条件的研究尚未定论,药物负载更进一步加剧了其稳定性问题。


要高效地推进外泌体载体进入临床阶段,外泌体制剂必须遵守 GMP 法规,需要为从不同来源分离的外泌体建立标准方案,以防止批次间的差异并产生可重复性,其中包括质量控制方案、标准细胞培养技术、下游分离技术标准和外泌体来源等等。因此,必须做出较大地努力来解决技术和监管方面的问题,以加快基于外泌体疗法的有效临床转化。 


未来,随着技术的不断进步和研究的深入,我们有理由相信外泌体将成为药物递送系统的重要一员。