我们的所有细胞在正常生理状态或受到外界刺激下，都可以分泌一类具有膜结构的囊泡，被称为细胞外囊泡。

细胞外囊泡是由多种哺乳动物细胞主动释放的纳米级胞外小泡，根据其生物起源、大小、生物物理特性可分为外泌体、微囊泡及凋亡小体。在我们的临床研究中主要关注的是外泌体。

 

图1：外泌体结构示意图

 

与其它几类细胞外囊泡相比，外泌体的结构更加稳定，可以包裹的内容物也更加丰富，使外泌体成为优异的药物递送载体，且丰富的内含物使之具有诊断潜力。外泌体可以在相邻和远端细胞之间传递蛋白质和遗传信息，递送多种类型的分子（包括核酸）。此外，外泌体具有穿过细胞膜、不易引起免疫反应特点，这也使其在基因、抗肿瘤等药物的体内运送方面具有独特优势。

外泌体在人体的脑脊液，唾液，血液，乳液等体液中均有分布，此外，肿瘤组织，神经元，干细胞等在体外培养的细胞均会分泌大量的外泌体。外泌体本身具有高度异质性，且其异质性根据其大小、含量(载物)、对受体细胞的功能影响以及细胞来源会出现差异，具备不同的功能，研究证实，外泌体具备调节基因转录翻译、细胞增殖与凋亡、转移与侵袭、血管生成、免疫应答、细胞分化、代谢调控等功能。此外，随着外泌体在临床方面优势的显现，其发展正处于高速发展的阶段，无论是国内还是国外，对于外泌体的研究都在逐步增多。

外泌体的发展历程

1983年，Eberhard G.Trams于绵羊网织红细胞中发现一种有膜结构的小囊泡（外泌体）；

1987年，Johnstone将其命名为"Exosome"（外泌体）；

1996年，GRaposo发现类似于B淋巴细胞能分泌抗原提呈外泌体，这种外泌体携带MHC-I类分子、共刺激因子和粘附因子。研究表明这种B细胞来源的外泌体可以直接刺激效应CD4+细胞的抗肿瘤反应。

1998年，LZitvogel等发现树突细胞(DO cell)也能产生有抗原提呈能力的外泌体，而且外泌体含有功能性的MHC-I类和I类分子，还有共刺激因子。这种外泌体启动了特异性的CTL杀伤作用，促进了T细胞依赖的抗肿瘤效应。

2007年，HValadi等发现，细胞之间可以通过外泌体中的RNA来交换遗传物质。这意味着细胞可以通过外泌体影响另外一个细胞，甚至可以把自己的基因强加给另外一个细胞。研究人员逐渐对小小的外泌体产生了极大的好奇。他们发现，肿瘤细胞的外泌体与正常细胞的外泌体之间存在差异，肿瘤的外泌体会促进肿瘤的生长和转移，肿瘤周围组织细胞分泌的外泌体具备杀伤肿瘤细胞的能力。

2013年，诺贝尔生理或医学奖颁给了美国科学家JamesERothman和RandyV V.Schekman，德国科学家ThomasCSüdhof，以表彰他们发现细胞内部囊泡(外泌体等)运输调控机制。使外泌体的研究达到全新的高度。

2015年，JHuan等人证实了急性髓细胞白血病的外泌体在白血病的骨髓微环境中具有抑制造血干细胞的功能。

2015年，WANGY等人发现诱导多能干细胞的外泌体可以在心肌细胞受到急性心肌缺血影响时，给心肌细胞传送保护信号。

2015年6月24日，德克萨斯大学MD安德森癌症中心的一项研究在《Nature》杂志上发布，研究发现存在于癌症外泌体(exosomesF的olvpican-1(GPC1)基因编码蛋白，或许可以作为一种潜在非侵入性诊断和筛查工具的组成部分，用来检测有可能尚处于适合手术治疗阶段的早期胰腺癌。研究发现，在胰腺癌小鼠模型还未显示出MRI可以检测到的胰腺疾病迹象之时，GPC1+crExos就检测到了胰腺癌的可能性。相比常用的CA19-9生物标志物，GPC1+crExos似乎是一种更可靠的筛查工具。

2016年1月21日，世界首款由Exosome Diagnostics公司研发生产的癌症诊断产品 ExoDxLung通过FDA认证。该检测试剂盒是通过分析血液中的外泌体RNA(exoRNA)可以灵敏、准确、实时检测非小细胞肺癌患者的EML4-ALK突变。ExoDxLung检测非小细胞肺癌的灵敏度可达88%，Exosome Diagnostics表示其特异性高达100%，可以用于帮助医生确定哪些非小细胞肺癌患者可用ALK抑制剂靶向治疗，尤其是对那些不能或者不愿进行组织活检的病人。

就外泌体的研究方向而言，干细胞、免疫、 microRNA、靶向给药、癌症的诊断及治疗等都是热门研究领域。目前，已有越来越多的学者开始关注外泌体在肿瘤发生和发展中的作用及其机制。

外泌体发展现状

1、外泌体研发情况

目前学术界、工业界对于外泌体的研究研发方向主要聚焦在疾病早期诊断的标志物、疾病治疗药物、外泌体的抑制、以及药物递送载体四大方面。目前研究较多的主要集中在来源于多能干细胞和肿瘤细胞的外泌体上。

①外泌体在间充质干细胞（MSCs）领域研究进展

世界抗衰老临床医学的先驱、美国抗衰老医学研究会主席Ronald Klatz博士称：“外泌体是干细胞技术的下一个发展方向”。而干细胞外泌体的进步也是得益于干细胞技术的发展。另外，MSCs来源的外泌体具有与母细胞相似的生物学功能，但与MSCs相比具有以下优势：(1)外泌体稳定，可长期保存在-80℃环境中，内容物不易降解；(2)外泌体更安全，不存在异倍体的可能性；(3)外泌体可以跨膜转运，直接靶向作用于病变部位；(4)“无细胞”治疗，降低了免疫排斥的风险，致瘤性降低，解决了MSCs在体内存活率低的问题。

例如，心血管疾病是导致人类死亡的主要原因之一，而间充质干细胞释放的外泌体（MSCs旁分泌的集合体，EVs）作用于心脏和血管，可以发挥抗凋亡、抗炎和抗纤维化、抑制氧化应激、增强血管生成等作用，是MSCs移植治疗关键的作用机制。外泌体在癌症、心血管疾病、结核病和中枢神经系统等疾病的诊断、治疗均已显示出良好的效果。

所列局限性尚未有足够研究正式明确，但考虑到间充质干细胞在研究中所潜在的问题，由其衍生的外泌体应用是否也会在将来的研究中显示潜在局限性，尚需研究证明。

②外泌体在肿瘤领域中研究进展

有研究发现，MSCs发挥作用主要是由于其旁分泌机制，而外泌体作为旁分泌机制的重要因子在肿瘤发生发展及治疗方面受到越来越多的关注。外泌体在肿瘤免疫中起着双刃剑的作用，在肿瘤微环境中，外泌体能够在肿瘤细胞、免疫细胞和其他细胞之间传递生物活性分子，帮助癌细胞逃避免疫监视诱导免疫耐受，同时，来自免疫细胞的外泌体能够发挥抑制肿瘤生长、增殖和转移的作用。

目前，外泌体在癌症中主要用于肿瘤疫苗和药物载体。外泌体生物相容性好，更低的免疫原性；几乎无毒性；纳米尺寸和柔韧性使它们能够跨越主要的生物屏障，例如血脑屏障、胎盘屏障等，实现复杂系统部位的递药，是安全而稳定的内源性纳米载体。

 

图2：MSCs-Exo 潜在局限性

 

临床上用于体内递送的mRNA载体主要是脂质纳米颗粒，但由于其封装过程耗时、复杂，不适合个性化肿瘤疫苗的定制生产。因此，迫切需要一种能够快速展示mRNA抗原并具有先天免疫刺激功能的新型纳米载体，以进一步开发基于mRNA的个性化肿瘤疫苗。国家纳米科学中心聂广军团队使用细菌来源的外泌体（OMVs）作为mRNA递送平台，并通过基因工程对其进行表面修饰（OMV-LL），试验结果表明OMV-LL-mRNA不但能够显著抑制肿瘤进展，而且可以诱导长期免疫记忆。这种外泌体载体不同于LNP，可用于个性化mRNA肿瘤疫苗开发，有望在mRNA疫苗中得到广泛应用。

③外泌体作为生物标志物

随着外泌体研究的深入，许多研究表明，外泌体可作为疾病早期诊断的生物标志物。首先，外泌体广泛分布于体液中，如血液、尿液、精液、羊水和唾液，因此很容易分离。其次，如上所述，不同衍生的外泌体在组成上有所不同，表达特定的miRNA、mRNA 和蛋白质。这些成分的异常变化可以用来诊断疾病和预测患者的预后。例如，可以在前列腺癌患者的尿外泌体中检测到 PCA3 mRNA 和 TMPRSS2:ERG 融合转录物。此外，大量 miRNA 被认为是新的生物标志物。

 

图3：作为生物标志物的潜在外泌体 miRNA

 

然而，作为生物标志物的外泌体存在一些缺陷。首先，来自癌症患者和健康人的外泌体在成分上可能没有可检测到的差异。在上述研究中，TMPRSS2:ERG 融合转录本可以在恶性程度较高的患者中检测到，但在恶性程度较低的患者中则无法检测到。26其次，外泌体中的 miRNA 的特异性不足以区分不同类型的癌症。例如，miR-21 在几乎所有癌症中上调，例如黑色素瘤、肝细胞癌、乳腺癌、脑癌、胃癌和结肠癌；32 miR-125b 在急性髓性白血病 (AML) 中上调，但在慢性淋巴细胞白血病 (CLL) 中下调。33 第三，考虑到临床实践的准确性、成本和效率，大多数外泌体生物标志物在临床上并不可行。

2、外泌体市场状况

近几年，基础科研领域有关外泌体的载药、诊断、预后监测、免疫疗法等方向的论文发表数量呈近爆炸式增长，平均每年外泌体相关论文都在3000篇以上，2020年度国家自然科学基金申请项目的评审结果中，外泌体相关课题中标达到两千余项。

 

图4：外泌体领域发表论文数量的增长

 

同时在产业转化领域，近年来外泌体领域的初创企业数量和规模不断增长，全球有近50家企业“同台竞技”。

由于外泌体的标志物并不明确等原因，外泌体诊断领域发展相对缓慢。大多企业选择布局进展更快的外泌体载药或者外泌体药物开发领域，成功的几率会更大些。

全球外泌体相关企业近1/3布局外泌体诊断业务；超过2/3布局外泌体治疗。集中布局在肿瘤、脑部疾病、疫苗开发、基因治疗/罕见病四大领域。

 

图5：全球外泌体相关企业在各细分领域布局业务情况

 

自全球爆发的COVID-19使对外泌体的研究出现高潮，外泌体可以有效地用于冠状病毒疫苗的开发。根据全球市场研究公司Data Bridge Market Research的数据，2018年全球外泌体市场达到65亿美元。该市场预计将以21.9%的复合增长率增长，到2026年将增长到310亿美元，市场空间极具发展潜力。

外泌体领域的产业转化研究，国外已经发展很多年，目前已有一些突破性的成果和技术相对成熟的公司。但国内利用外泌体的治疗市场处于起步阶段，国内外在外泌体的产业化研究方面至少相差5年时间。着力于解决制约外泌体产业发展的关键问题，如外泌体的靶向性递送，分离纯化，载药效率、制剂等问题，完成这些基础性问题的突破才可能实现产业上的突破，在全球外泌体市场中占得更多份额。

外泌体未来发展

外泌体运用于药物载体的主要挑战在于如何获得高产量的纯外泌体、如何增强外泌体装载各种货物的能力和靶向能力但不破坏外泌体结构。诊断治疗中外泌体要求更精细，主要难点在于：⑴外泌体标志物不明确、未经临床验证；⑵外泌体分离纯度要求较高，需要保证相关生物标志物直接来源于外泌体而非其它分泌物或者细胞器；⑶检测同种疾病，外泌体诊断产品是否更加灵敏和准确，成本上是否更具优势，也是决定外泌体诊断产品是否被患者所选择的重要条件。种种困难的存在，造成目前外泌体诊断领域发展地相对缓慢。

 

图6：外泌体分离方法优缺点对比

 

为了获得高产量的纯外泌体，有以下几种策略：①拓展外泌体来源。②努力将细胞和纳米载体的特性结合起来。③增强装载各种货物的能力和靶向能力。因此，许多研究人员致力于开发合适的方法来修饰外泌体以装载药物或基因。

而从企业的发展策略上来讲，由于外泌体诊断产品开发的更多限制和困难，大部分企业选择布局进展更快的外泌体载药或者外泌体药物开发领域，成功的几率更大。

相对较少的企业布局外泌体诊断领域，并不是放弃外泌体在诊断领域的应用开发。可能是出于风险效益的角度考虑，企业更愿意将外泌体诊断相关的布局放在企业战略布局的第二梯队。在搭建外泌体载药平台或开发外泌体相关药物的同时，对外泌体进行更加深入的认识和解，新药研发者们同样拥有机会去对外泌体的相关生物标志物进行挖掘和发现。在此过程中，一旦发现任何有价值的生物标志物，再快速跟进布局它在检测诊断相关疾病方面的应用，更具有指导意义和发展价值。

某种意义上而言，外泌体的药物载体开发和诊断领域的开发是一个相辅相成的过程。针对外泌体的来源、合成与分泌、摄取等机制研究，针对微环境从外泌体角度解释疾病发生发展机制的研究，寻找疾病诊断和预后生物标志物，将外泌体作为药物载体类的研究。不管是研究哪一个方向，都有很多科学问题待解决，系统深入的研究对外泌体整个行业的发展都具有推进作用，各方向布局也会由此展开，所以我们有理由相信外泌体只是“年轻”，它的未来值得大家期待。

 

参考文献：

[1]生物医药明日之星——外泌体深度研究报告

[2]CUI, Shuyue; TANG, Shuai; DING, Xiaoling; DING, Gang. Zhongguo Fei Ai Za Zhi; Tianjin Vol. 25, Iss. 5,  (2022): 351-357. DOI:10.3779/j.issn.1009-3419.2022.101.20

[3]李武, 牛晓晨, 张萌,等. 外泌体及其miRNA在神经系统常见疾病诊断和治疗中的研究进展[J]. 生命科学研究, 2020, 24(4):6.

[4]Hu, Xinru; Qiu, Yuyue; Zeng, Xiaoping; Wang, Hongmei. Cancer Science; Tokyo Vol. 113, Iss. 4,  (Apr 2022): 1105-1112. DOI:10.1111/cas.15314

[5]Exosomes as novel bio-carriers for gene and drug delivery Jiang, Xin-Chi;Gao, Jian-Qing* International Journal of Pharmaceutics, 2017, 521(1-2): 167-175.

 

 

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