小身材，大作用——外泌體的前世今生
北京時間2013年10月7日，在卡羅琳醫(yī)學(xué)院的諾貝爾大廳，諾貝爾獎的評選委員會秘書長戈蘭·漢松宣布，將當(dāng)年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒給三位杰出的科學(xué)家，即詹姆斯·E·羅斯曼(James E．Rothman)、托馬斯·蘇德霍夫(Thomas C．Südhof)以及蘭迪·謝克曼(Randy W．Schekman)，以表彰三人共同解答的一個科學(xué)問題：細(xì)胞如何組織運(yùn)轉(zhuǎn)其內(nèi)部的一個重要的傳輸系統(tǒng)——囊泡傳輸系統(tǒng)?也正是他們的研究成果以及諾貝爾獎的巨大影響力，使小小的囊泡被納入更多研究者的視線，隨著后續(xù)進(jìn)行的深入研究，如今這個小小的囊泡已然裝滿了大大的學(xué)問，其研究方向涵蓋干細(xì)胞、免疫、靶向給藥、非編碼RNA(如微小RNA)、生物標(biāo)記物、腫瘤治療等熱門研究領(lǐng)域，而其研究前景仍在被不斷地開發(fā)。外泌體是目前這類囊泡傳輸系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn)，本文將就此介紹外泌體的前世今生。
一、外泌體的發(fā)現(xiàn)
早在1986年，Eberhard G．Trams和R．M．Johnstone兩位科學(xué)家在體外培養(yǎng)的綿羊紅細(xì)胞的培養(yǎng)基上清液中發(fā)現(xiàn)了一種具有膜結(jié)構(gòu)的小囊泡，并將其命名為Exosome（外泌體）。在外泌體被發(fā)現(xiàn)的最初十幾年中，它的生物學(xué)作用一直沒有引起科學(xué)家的重視，甚至被認(rèn)為是細(xì)胞產(chǎn)生的“垃圾”。直到1996年，有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)B淋巴細(xì)胞能夠分泌抗原呈遞外泌體，這種外泌體攜帶有MHC-II類分子、共刺激因子和黏附因子，能夠直接刺激效應(yīng)CD4陽性的細(xì)胞產(chǎn)生抗腫瘤效應(yīng)。隨后，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，外泌體中包含有DNA片段、mRNA、微小RNA、功能蛋白、轉(zhuǎn)錄因子等多種具有生物活性的物質(zhì)，而其本身的膜結(jié)構(gòu)還能表達(dá)多種抗原、抗體分子，從而產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。至此，一個在自然界默默傳輸關(guān)鍵生物信息的“快遞員”漸漸露出了真容。
二、什么是外泌體？
目前，科學(xué)界將細(xì)胞外囊泡(extracellular vesicle)大致分為三大類：微泡(microvesicle)、凋亡小體(apoptotic body)和外泌體(exosome)(表1)。微泡是指由細(xì)胞分泌的一種直徑為100～1000nm的膜囊泡；凋亡小體是指細(xì)胞程序性死亡過程中所釋放的一種直徑為500～4000nm的膜囊泡；外泌體則是一種直徑為30～100nm、主要由細(xì)胞內(nèi)多泡體與細(xì)胞膜融合并釋放到細(xì)胞外基質(zhì)中的膜囊泡，后者在電鏡下表現(xiàn)為脂質(zhì)雙層包裹的扁平球體，呈特征性的杯狀外形。同源性的外泌體形態(tài)均一、大小相近，而不同來源的外泌體直徑可略有不同。
外泌體的形成是一個復(fù)雜而有序的動態(tài)過程。當(dāng)活細(xì)胞經(jīng)胞吞作用攝入外源性物質(zhì)后，會在細(xì)胞內(nèi)形成早期核內(nèi)體(early endosome，EE)，EE通過囊膜內(nèi)陷、突入形成多個小囊泡，在選擇性地接收細(xì)胞胞漿內(nèi)的核酸、蛋白及脂質(zhì)等物質(zhì)后形成多泡內(nèi)核體(multivesicular endosome，MVE)。后者主要有三個去向：①與溶酶體融合，最終被消化；②在接受病理性刺激后，MVE中的小囊泡與細(xì)胞膜融合，并將內(nèi)容物表達(dá)在所在細(xì)胞的表面；③MVE與細(xì)胞膜融合后將小囊泡釋放到細(xì)胞外基質(zhì)中形成外泌體（如圖3）。
由外泌體的形成過程可以看出，外泌體的內(nèi)含物在MVE的形成時期就已經(jīng)初步確定。蛋白是外泌體內(nèi)含物中的一大類物質(zhì)，其含量與種類相當(dāng)豐富。外泌體包含的蛋白可分為兩類：一類是在外泌體普遍表達(dá)并可作為標(biāo)記物用來識別外泌體的蛋白，包括熱休克蛋白、TSGl01、Alix、Foltillin、Rab蛋白等膜轉(zhuǎn)運(yùn)和膜融合蛋白以及四跨膜超家族(tetraspanin)的成員CD9、CD63、CD81蛋白分子；另一類是不同來源、不同環(huán)境外泌體各自擁有的特異性蛋白，如T細(xì)胞來源的外泌體可攜帶CD3分子，神經(jīng)元來源的外泌體可表達(dá)谷氨酸受體等。除蛋白以外，外泌體包含的另一大類重要物質(zhì)就是核酸，包括DNA、mRNA、微小RNA、lncRNA等。外泌體所攜帶的核酸、蛋白等分子賦予外泌體豐富的生物學(xué)信息，通過外泌體傳輸?shù)狡渌?xì)胞發(fā)揮特定的生物學(xué)效應(yīng)（圖4）。
三、外泌體的作用
目前認(rèn)為外泌體產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的方式主要有兩種：其一，外泌體可以通過其表面的蛋白分子或脂質(zhì)配體直接激活目標(biāo)細(xì)胞表面的受體；其二，外泌體可以與受體細(xì)胞的質(zhì)膜融合并進(jìn)入細(xì)胞，將自身包含的核酸、蛋白、脂質(zhì)等分子釋放入受體細(xì)胞，進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞的功能及生物學(xué)行為。外泌體在體內(nèi)各個系統(tǒng)的生理學(xué)和病理生理學(xué)過程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用，是研究疾病發(fā)病機(jī)制和疾病治療的重要靶點(diǎn)。這一類研究旨在尋找疾病發(fā)生發(fā)展的機(jī)制，干預(yù)疾病發(fā)展的過程。隨著某些疾病的發(fā)生發(fā)展，外泌體包含的某些分子的表達(dá)量也會有不同程度的改變，這使得外泌體(包括循環(huán)血外泌體)有望成為診斷疾病、評估治療反應(yīng)性和患者預(yù)后的潛在生物標(biāo)記物（圖5）。
圖5 外泌體的潛在應(yīng)用
參考文獻(xiàn)：
[1]貝毅樺,喻溥蛟,肖俊杰.小囊泡中的大學(xué)問——外泌體的前世今生[J].自然雜志, 2017, 39(3):10.
[2] Kalluri R , Lebleu V S .The biology, function, and biomedical applications of exosomes[J].Science, 367.
[3]Pol Escudé Martinez de Castilla a, C L T B , C C H B ,et al.Extracellular vesicles as a drug delivery system:A systematic review of preclinical studies[J].Advanced drug delivery reviews:S0169-409X(21)00175-7.
LighTracker是由四度科學(xué)儀器精心打造的新一代納米顆粒跟蹤分析儀（NTA），為納米顆粒分析帶來了前所未有的高效與精準(zhǔn)。僅需幾分鐘，便能全面呈現(xiàn)納米顆粒的粒徑分布信息，涵蓋最小粒徑、最大粒徑，以及各個粒徑區(qū)間顆粒的數(shù)量占比，為納米顆粒的精細(xì)研究提供詳盡數(shù)據(jù)。不僅如此，LighTracker還具備強(qiáng)大的熒光檢測功能和Zeta電位測量能力，為納米藥物載體的制備、細(xì)胞外囊泡的分析提供關(guān)鍵支持。LighTracker能夠?qū)崟r追蹤納米顆粒在不同環(huán)境條件下的濃度變化，深入剖析納米顆粒在環(huán)境及反應(yīng)中的擴(kuò)散、遷移、轉(zhuǎn)化與降解過程。讓科研工作者能夠直觀地觀察納米顆粒的行為變化，為納米材料的研發(fā)、納米藥物的療效評估以及納米環(huán)境毒理學(xué)研究提供了有力工具。
圖1 2013諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎
一、外泌體的發(fā)現(xiàn)
早在1986年，Eberhard G．Trams和R．M．Johnstone兩位科學(xué)家在體外培養(yǎng)的綿羊紅細(xì)胞的培養(yǎng)基上清液中發(fā)現(xiàn)了一種具有膜結(jié)構(gòu)的小囊泡，并將其命名為Exosome（外泌體）。在外泌體被發(fā)現(xiàn)的最初十幾年中，它的生物學(xué)作用一直沒有引起科學(xué)家的重視，甚至被認(rèn)為是細(xì)胞產(chǎn)生的“垃圾”。直到1996年，有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)B淋巴細(xì)胞能夠分泌抗原呈遞外泌體，這種外泌體攜帶有MHC-II類分子、共刺激因子和黏附因子，能夠直接刺激效應(yīng)CD4陽性的細(xì)胞產(chǎn)生抗腫瘤效應(yīng)。隨后，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，外泌體中包含有DNA片段、mRNA、微小RNA、功能蛋白、轉(zhuǎn)錄因子等多種具有生物活性的物質(zhì)，而其本身的膜結(jié)構(gòu)還能表達(dá)多種抗原、抗體分子，從而產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。至此，一個在自然界默默傳輸關(guān)鍵生物信息的“快遞員”漸漸露出了真容。
圖2 外泌體
二、什么是外泌體？
目前，科學(xué)界將細(xì)胞外囊泡(extracellular vesicle)大致分為三大類：微泡(microvesicle)、凋亡小體(apoptotic body)和外泌體(exosome)(表1)。微泡是指由細(xì)胞分泌的一種直徑為100～1000nm的膜囊泡；凋亡小體是指細(xì)胞程序性死亡過程中所釋放的一種直徑為500～4000nm的膜囊泡；外泌體則是一種直徑為30～100nm、主要由細(xì)胞內(nèi)多泡體與細(xì)胞膜融合并釋放到細(xì)胞外基質(zhì)中的膜囊泡，后者在電鏡下表現(xiàn)為脂質(zhì)雙層包裹的扁平球體，呈特征性的杯狀外形。同源性的外泌體形態(tài)均一、大小相近，而不同來源的外泌體直徑可略有不同。
表1 各種細(xì)胞外囊泡的區(qū)別
外泌體的形成是一個復(fù)雜而有序的動態(tài)過程。當(dāng)活細(xì)胞經(jīng)胞吞作用攝入外源性物質(zhì)后，會在細(xì)胞內(nèi)形成早期核內(nèi)體(early endosome，EE)，EE通過囊膜內(nèi)陷、突入形成多個小囊泡，在選擇性地接收細(xì)胞胞漿內(nèi)的核酸、蛋白及脂質(zhì)等物質(zhì)后形成多泡內(nèi)核體(multivesicular endosome，MVE)。后者主要有三個去向：①與溶酶體融合，最終被消化；②在接受病理性刺激后，MVE中的小囊泡與細(xì)胞膜融合，并將內(nèi)容物表達(dá)在所在細(xì)胞的表面；③MVE與細(xì)胞膜融合后將小囊泡釋放到細(xì)胞外基質(zhì)中形成外泌體（如圖3）。
圖3 外泌體的形成
由外泌體的形成過程可以看出，外泌體的內(nèi)含物在MVE的形成時期就已經(jīng)初步確定。蛋白是外泌體內(nèi)含物中的一大類物質(zhì)，其含量與種類相當(dāng)豐富。外泌體包含的蛋白可分為兩類：一類是在外泌體普遍表達(dá)并可作為標(biāo)記物用來識別外泌體的蛋白，包括熱休克蛋白、TSGl01、Alix、Foltillin、Rab蛋白等膜轉(zhuǎn)運(yùn)和膜融合蛋白以及四跨膜超家族(tetraspanin)的成員CD9、CD63、CD81蛋白分子；另一類是不同來源、不同環(huán)境外泌體各自擁有的特異性蛋白，如T細(xì)胞來源的外泌體可攜帶CD3分子，神經(jīng)元來源的外泌體可表達(dá)谷氨酸受體等。除蛋白以外，外泌體包含的另一大類重要物質(zhì)就是核酸，包括DNA、mRNA、微小RNA、lncRNA等。外泌體所攜帶的核酸、蛋白等分子賦予外泌體豐富的生物學(xué)信息，通過外泌體傳輸?shù)狡渌?xì)胞發(fā)揮特定的生物學(xué)效應(yīng)（圖4）。
圖4 外泌體結(jié)構(gòu)與內(nèi)容物
三、外泌體的作用
目前認(rèn)為外泌體產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的方式主要有兩種：其一，外泌體可以通過其表面的蛋白分子或脂質(zhì)配體直接激活目標(biāo)細(xì)胞表面的受體；其二，外泌體可以與受體細(xì)胞的質(zhì)膜融合并進(jìn)入細(xì)胞，將自身包含的核酸、蛋白、脂質(zhì)等分子釋放入受體細(xì)胞，進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞的功能及生物學(xué)行為。外泌體在體內(nèi)各個系統(tǒng)的生理學(xué)和病理生理學(xué)過程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用，是研究疾病發(fā)病機(jī)制和疾病治療的重要靶點(diǎn)。這一類研究旨在尋找疾病發(fā)生發(fā)展的機(jī)制，干預(yù)疾病發(fā)展的過程。隨著某些疾病的發(fā)生發(fā)展，外泌體包含的某些分子的表達(dá)量也會有不同程度的改變，這使得外泌體(包括循環(huán)血外泌體)有望成為診斷疾病、評估治療反應(yīng)性和患者預(yù)后的潛在生物標(biāo)記物（圖5）。
圖5 外泌體的潛在應(yīng)用
參考文獻(xiàn)：
[1]貝毅樺,喻溥蛟,肖俊杰.小囊泡中的大學(xué)問——外泌體的前世今生[J].自然雜志, 2017, 39(3):10.
[2] Kalluri R , Lebleu V S .The biology, function, and biomedical applications of exosomes[J].Science, 367.
[3]Pol Escudé Martinez de Castilla a, C L T B , C C H B ,et al.Extracellular vesicles as a drug delivery system:A systematic review of preclinical studies[J].Advanced drug delivery reviews:S0169-409X(21)00175-7.
LighTracker是由四度科學(xué)儀器精心打造的新一代納米顆粒跟蹤分析儀（NTA），為納米顆粒分析帶來了前所未有的高效與精準(zhǔn)。僅需幾分鐘，便能全面呈現(xiàn)納米顆粒的粒徑分布信息，涵蓋最小粒徑、最大粒徑，以及各個粒徑區(qū)間顆粒的數(shù)量占比，為納米顆粒的精細(xì)研究提供詳盡數(shù)據(jù)。不僅如此，LighTracker還具備強(qiáng)大的熒光檢測功能和Zeta電位測量能力，為納米藥物載體的制備、細(xì)胞外囊泡的分析提供關(guān)鍵支持。LighTracker能夠?qū)崟r追蹤納米顆粒在不同環(huán)境條件下的濃度變化，深入剖析納米顆粒在環(huán)境及反應(yīng)中的擴(kuò)散、遷移、轉(zhuǎn)化與降解過程。讓科研工作者能夠直觀地觀察納米顆粒的行為變化，為納米材料的研發(fā)、納米藥物的療效評估以及納米環(huán)境毒理學(xué)研究提供了有力工具。
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