外泌体系列研究一 | 下一代革命性药物载体—外泌体

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外泌体系列研究一 | 下一代革命性药物载体—外泌体

群蜂社团队正在关注外泌体行业的投资机会,借着调研项目,我们梳理了一下外泌体的医疗应用前景及产业化特征。


外泌体的生物特性使其成为肿瘤诊断液体活检中的“黑马”,并且是全球给予厚望的下一代革命性药物载体,未来想象空间巨大。因此,我们希望以通俗易懂的形式向大家介绍外泌体的生物学特征、医疗领域的应用前景、外泌体产业化的阶段以及标杆企业的商业模式。希望我们的报告能够让大家对外泌体行业的发展情况有个快速、全面的了解。


欢迎大家登录我们的网站,注册成为会员,和我们一起系统学习充满想象空间的外泌体行业。


本篇是外泌体系列研究的第一篇:下一代革命性药物载体——外泌体是什么来头?


Part 1

外泌体:细胞间物质运输和信息传递的一种方式


外泌体(Exosome)是一类直径在40-160nm范围内的,通过细胞膜内陷并且在细胞内完成物质包装后再释放出细胞的细胞外囊泡。


细胞膜内陷和物质包装的过程,使外泌体携带了与遗传信息表达相关的RNA、蛋白质、以及少部分的DNA,因此通过外泌体的转移能够实现细胞间的物质运输和信息传递。


图:外泌体的结构与包含物


视频:外泌体的形成


外泌体的发现距今将近40年,但直到2015年“精准外泌体”概念的提出,外泌体才开始成为疾病诊断和精准治疗的研究热点,医疗领域应用的想象空间巨大。


下文中我们将分别介绍外泌体在疾病诊断和治疗中的应用前景。


Part 2

外泌体:肿瘤液体活检中的黑马


外泌体在疾病诊断中最具代表性的应用是利用外泌体技术实现肿瘤液体活检。


液体活检是以非侵入式体液诊断的方法及时获得肿瘤细胞信息,实现肿瘤早期检测与治疗效果跟踪的诊断技术。


液体活检不需要切除检测者足够体积的组织,通过获取血液、尿液等样本即可开展,具有无创、便捷、能够实现早期检测及疾病跟踪的优势。


图:肿瘤诊断的技术手段


外泌体包含的信息量大、容易富集、稳定性强,这些优势使其成为肿瘤液体活检中的一匹黑马,有效地补充了现有的循环肿瘤细胞(CTC)与循环肿瘤DNA(ctDNA)的技术手段。


相比起CTC,外泌体数量多,更容易富集,检出率更高。相比起ctDNA,外泌体还包含了除DNA以外的RNA、蛋白质等基因表达层面的信息。


但是,外泌体并不能完全取代CTC和ctDNA两种手段。首先,外泌体只是细胞产生的胞外囊泡,不能建立完整的细胞模型,因此不能完全取代CTC。另外,外泌体包含的物质主要来自细胞膜和细胞质,因此DNA含量很少(DNA主要存在于细胞核中),DNA层面的信息缺乏,因此也不能完全取代ctDNA。


所以三种技术手段都有其适用范围和检测意义。


表:三种液体活检技术的比较


Part 3

外泌体:天然高效的治疗手段及载药平台


外泌体在疾病治疗上的应用主要包含两大方向:干细胞来源的治疗性外泌体,以及以外泌体为给药载体的新型制剂。


在介绍外泌体的疾病治疗应用之前,我们首先需要了解外泌体是如何发挥生物学效应,实现细胞调控的。


外泌体发挥生物学效应的主要机制包括以下三点:


(1)通过外泌体表面蛋白或者有生物活性的脂质配体与受体细胞的表面受体结合,实现信号转导;


(2)受体细胞通过内吞作用将外泌体吸收,外泌体进入细胞内后再释放内容物,实现对受体细胞的调控;


(3)外泌体与受体细胞的细胞膜直接融合,并将携带的内容物(mRNA、miRNA、蛋白质等)直接导入受体细胞,实现受体细胞的调控。

图:外泌体发挥生物学效应的机制


了解外泌体发挥生物学效应的机制以后,我们再来介绍干细胞来源的治疗性外泌体,以及以外泌体为给药载体的新型制剂的应用。


1、干细胞来源的治疗性外泌体


外泌体富含生物活性物质,具备调控受体细胞实现治疗目的的潜力,目前干细胞来源的外泌体已被证明能够发挥细胞再生和修复的能力。


干细胞来源的治疗性外泌体相对于干细胞治疗具有以下潜在的优势:


(1)可以灵活地穿越组织屏障,更容易到达目标组织。外泌体直径在40-160nm范围内,体积小,因此相比起干细胞,能够更加灵活地穿越人体的组织屏障如血脑屏障等,到达干细胞难以到达的区域进行疾病的治疗。


(2)稳定性高,更容易保存。外泌体达到冷冻条件可长期保存,比干细胞的保存条件更简单。


(3)免疫原性低,异体回输的风险可能较小。外泌体具有高度生物相容性和低免疫原性,对解决异体使用产生的自体免疫反应具有研究意义。


目前已经有一些生物技术与制药公司开始在再生医学领域中研究治疗性外泌体的商业应用。


(1)成立于2007年的澳大利亚再生医学公司Regeneus专注于利用干细胞技术治疗骨关节炎,肿瘤,炎症,烧伤和创伤恢复,近几年开始尝试研发干细胞外泌体的药物。


(2)2018年2月,Regeneus宣布基于外泌体技术的Sygenus凝胶对成人痤疮有显著的修复疗效,并在在澳大利亚、欧洲、中国、美国和日本等获得了专利。


(3)成立于2017年的韩国生物技术公司ExoCoBio专注于治疗性外泌体在药妆领域的应用,并且与医学美容品牌ENEV建立了战略联盟,专注研发以外泌体为核心的皮肤修复产品。


2、以外泌体为给药载体的新型制剂


外泌体可以实现细胞间的物质运输和信息传递,天然具有作为纳米级给药载体的潜力,在提高药物疗效以及降低副作用方面具有独特的优势。


外泌体既可以通过包载小分子化学药实现老药新用的效率优化,也能够成为投递蛋白类、核酸类药物的“物流系统”,提高患者用药效率、降低用药频率、联合用药提升治疗效果、减少全身暴露的副作用,是全球给予厚望的下一代革命性药物载体。


外泌体作为给药载体的优势主要有以下五点:


(1)实现稳定长效,提高用药效率,降低用药频率。多肽类、蛋白类药物进入人体后容易被蛋白水解酶快速降解代谢;核酸类药物则容易受到核酸酶的破坏以及肾小球的清除;即使是成功进入到靶细胞中的核酸也容易被细胞内的溶酶体破坏,药物利用率低且半衰期短,因此为维持疗效,病人需要大剂量地频繁用药。将上述药物包裹于稳定性强的外泌体中,可有效减少其与胃酸、蛋白水解酶或者核酸酶的接触;外泌体的包裹使得核酸药物制剂的体积增大,不能被肾脏清除;通过有效的设计,也可以进一步提高治疗性核酸逃逸溶酶体的效率,从而延长药物在体内的循环时间,提高用药效率,降低患者用药的单次剂量与频率。


(2)免疫原性低,蛋白和核酸类药物能够有效地到达目标细胞。外泌体由细胞自身产生,细胞膜组成使其具有高生物相容性和低免疫原性,能够有效地进入靶细胞,外源的蛋白类与核酸类药物不会被免疫系统识别而遭到清除。


(3)增大药物溶解度,提高药物利用效率。外泌体的脂质双层空心结构可以利用亲脂性和亲水性,对脂溶性药物和水溶性药物都能够实现有效的装载,增大药物的溶解度和提高药物利用效率。


(4)实现多个药物共同递释,提升治疗效果。外泌体的脂质双层空心结构可同时包载亲脂性和亲水性药物,载药量大,同时利用基因工程在外泌体表面连接治疗性的生物活性分子,通过精确控制药物溶度和适当的比例,达到最佳的治疗效果。


(5)药物通过被动和主动靶向到达目标组织,减少全身暴露导致的副作用。一方面,由于实体瘤组织中内皮细胞间隙大且淋巴回流缺失,纳米级的外泌体可以更方便地穿过血管壁,被动靶向到肿瘤组织富集及长期滞留(实体瘤的“EPR高渗透长滞留效应”)。另一方面,可以通过在外泌体表面添加靶向分子实现主动靶向,减少药物在全身的暴露导致的副作用。


图:外泌体可同时装载不同类型的药物(来源:Transl Neurodegener)


图:外泌体作为载药平台,具备EPR效应,低免疫原性和靶向性(来源:Google)


本文中我们介绍了外泌体的基本特征,及其在疾病诊断和治疗中的应用前景。


外泌体体积小,数量多,容易富集且稳定性强;可携带RNA、DNA、蛋白质、脂质等生物分子,包含信息丰富;生物相容性高,免疫原性低;可提高药物溶解度和实现多个药物共同递释;更强的增强渗透滞留效应(EPR);可通过添加靶向分子实现主动靶向。


这些优势使得外泌体成为肿瘤诊断液体活检中的“黑马”,并且成为全球给予厚望的下一代革命性药物载体,未来想象空间巨大。