外泌体细胞间信号交流的媒介生物标志物细胞治疗的载体

外泌体：细胞间信号交流的媒介，生物标志物，细胞治疗的载体13The Annual Review of Physiology is online at摘要 间充质干细胞（MSCs ）的作用机制以旁分泌为主，被广泛用于各种人类疾病的治疗试验。

还未证明存在能够充分介导MSCs 作用的因子。

然而，外泌体，即由包括MSCs 在内的许多细胞分泌的膜性囊泡，是MSCs 功效的极佳候选载体。

外泌体可运输和传递大量的蛋白质、脂质和核酸，还能修饰细胞和器官功能。

此外，外泌体的核心功能是作为胞内交流的媒介，它们越来越被认同为疾病的生物标志物和预示。

且外泌体有可能作为基因载体和给药载体被用于临床。

这篇文章回顾了外泌体的生物学发生、其分子构成以及它们作为胞内交流信使发挥的作用，关注它们作为干细胞治疗治疗性载体的潜能。

This article’s doi:10.1146/annurev-physiol-021014-071641Copyright c 2015 by Annual Reviews.All rights reserved介绍间充质干细胞或基质细胞（MSCs ）是多能成体干细胞，它们能自我更新并分化成间充系，如肌肉、骨、脂肪和软骨，以及非间充系，如神经元和角质形成细胞。

然而，在体内可能除了形成骨和软骨之外，MSCs 分化成其他细胞类型的情况都很少见。

有几个研究证实，在临床前模型体内施用MSCs 可减轻疾病，但这些细胞很快在48h 内被清除。

细胞分化和直接组织修复对MSCs 的有益功能贡献最少，旁分泌和免疫调节通路才是MSCs 的主要体内作用机制。

以干细胞为基础的治疗对于许多有炎症基础的复杂疾病是一种新颖而充满前景的治疗方法，因为它们具有强大的抗炎作用并能够靶向作用于理想器官功能所需的几个细胞通路。

随着人们认识到干细胞在器官中的保留从不能超过几小时到不能超过几天，很多研究者包括我们组使用适宜MSCs 生长的培养基证实了MSCs 在心脏、肺、肾或神经元损伤（1-5）模型中的细胞保护作用。

人们早已发现MSCs 释放旁分泌因子，其中包括生长因子和细胞因子的分泌，如血管内皮生长因子、基质源性因子1、成纤维细胞生长因子、转化生长因子β以及白介素1受体拮抗因子，它们可促进血管新生和保护细胞免受由局部缺血、缺氧和其他损伤（6-12）引起的组织炎症。

意料之中的是，当将某一生长因子单独用于治疗时，没有任何生长因子被显示或是被预料能够有效治疗组织损伤和逆转通常由复杂多因素通路功能紊乱所致的人类疾病。

将这些因子传递至正确的细胞类型和部位，同时保持其稳定和生物效力，是关键限制因素。

然而，在膜性囊泡内大量生长因子的运输和传递可免于降解，且通过识别膜受体有助于将生长因子传递给靶细胞。

最近，外泌体越来越被人们关注，它是一种膜结构囊状物，包括MSCs 在内的几乎所有类型的细胞都可产生，它被释放进入培养基，并有可能是细胞间交流的关键信使（见参考文献13）。

外泌体是几组分泌小泡中的一组，其他还包括核外颗粒体和凋亡小体，前者是大体积膜性囊泡，直接从质膜中吐出，后者由临死的细胞释放。

外泌体具有脂质双层结构，可根据其大小和组成进行区分。

外泌体的直径为30-100nM ，而核外颗粒体的直径为50-1,000nM ，凋亡小体为50-MSC:间充质干细胞MVB: 多囊泡体miRNA: microRNA5,000nM 。

外泌体是细胞内源性小泡，被储存在多囊泡体（MVBs ）之中，通过与细胞膜融合被释放至环境中（14,15）。

外泌体内含有大量蛋白质和脂质，以及以DNA, mRNA, microRNA (miRNA), 和非编码性RNA 形式存在的核酸。

就其本身而论，外泌体可作为细胞处理闲置或有害RNA 和蛋白质的主要排泄途径，更重要的是，可作为传递重要信号给其他细胞的信使和载体，修饰正常生理状态和疾病状态下的细胞功能。

而且，外泌体可从培养细胞中分离出来，还可体内给药靶向作用于疾病，因此，只要其特性和生物学得到更好阐明它们就有可能用于治疗。

外泌体的生物发生19世纪80年代早期，外泌体被描述为在网织红细胞成熟期间形成的小囊泡，它们介导转铁蛋白从红细胞中选择性释放和移除（16-18）。

图1（a ）外泌体的内容， 图1 其生物发生位于晚期内体中。

外泌体被包含在多囊泡体中，多囊泡体被攻击后外泌体在溶酶体内降解，多囊泡体也可与质膜融合使外泌体外化。

（b ）使用负染色电镜技术观察间充质干细胞的外泌体，其直径为30-100nM ，具有典型的杯状外观。

随后，人们认识到许多类型的细胞，包括B 和T 淋巴细胞、树突状细胞、肥大细胞、肠上皮细胞、肿瘤细胞、神经元和MSCs 都释放外泌体（19-25）。

外泌体还在生理性液体中被发现，如尿液、血浆、脑脊液、人乳液和渗出液。

更好的认识外泌体的生物学发生可以使我们更外泌体 a 溶酶体多囊泡体细胞核 高尔基复合体 10000 nM粗面内质网好的认识其功能。

在胞吞性内化过程中，外泌体由质膜向内芽生产生（图1a）。

早期内体的成熟经历了一个过程，其中包括与高尔基复合体相互作用从而形成晚期复合体。

晚期内体具有双层膜结构，从而产生管腔内囊泡，即外泌体，它们被包含在MVBs内，其内含有从细胞膜的被膜凹陷中回收利用的蛋白质，还含有mRNA, miRNA,和DNA；蛋白质的直接来源是高尔基复合体。

MVBs可与质膜融合从而通过胞吐作用释放外泌体，或被移送至溶酶体发生降解（33）。

因此，外泌体与核外颗粒体和凋亡小体不同，后两者由细胞释放，是质膜直接出芽的结果。

透射电子显微镜下外泌体的结构似杯状，很可能是由于加工和固定导致这些环状分子分解从而呈现杯状外观（图1b）。

快速冷冻外泌体，然后用低温电镜技术分析，可见外泌体呈完整的球形（34）。

外泌体的直径通常为30-100nm，密度通常为 1.13–1.19 g/mL ，并可用蔗糖垫或密度梯度超速离心以100,000g的转速分离出来（35）。

接收细胞供应细胞细胞核多囊泡体外泌体DNAProteinsRNA 图2外泌体由多囊泡体和质膜融合而被释放，其内携带的物质包括蛋白质、DNA和RNA。

外泌体的胞内摄取途径有胞吞、膜融合，或受体介导的内化。

外泌体由MVB和细胞膜融合而被分泌；这种融合取决于几种RabGTPase蛋白（36）。

由细胞释放的外泌体可以旁分泌甚至是内分泌的方式修饰邻近细胞或远处细胞的行为。

信号通过外泌体和细胞膜之间的直接接触传递给细胞，可以是与细胞表面受体接触，或是两种膜融合，或是胞吞作用（图2）。

外泌体的特异性细胞表面分子结合是细胞靶向作用和细胞粘附的关键。

很多外泌体中含有主要组织相容性复合体（MHC）Ⅰ类和Ⅱ类分子（37,38），这两种分子与抗原结合和呈递有关。

此外，整合素、膜联蛋白这样的蛋白质以及四跨膜蛋白都在细胞粘附中发挥重要作用，其中四跨膜蛋白可直接作用于特定细胞，如内皮细胞，促进血管新生和血管生成（39）。

外泌体能够长程靶向作用并被组织摄取，且在血液循环或其他生物体液中具有稳定性，这两种特性使得外泌体作为生物标记物和疾病治疗中的治疗性载体引起了人们的浓厚兴趣。

外泌体的分子构成MHC: 主要组织相容性复合体网格蛋白外泌体携带由蛋白质、脂质和RNAs 组成的独特内容物，与其起源细胞的内容物截然不同。

由于外泌体来自内体，所以它们所含有对于运输和融合非常重要的蛋白质，如膜联蛋白和脂阀结构蛋白；含有参与细胞的靶向作用四跨膜蛋白；以及其他蛋白质，如Alix和TSG101，它们参与外泌体起自MVBs 的生物发生。

图3外泌体的典型结构和内容物。

外泌体被脂质双分子层包裹，内含蛋白质，如对运输具有重要意义的膜联蛋白、参与细胞靶向作用的四跨膜蛋白，以及其他蛋白质如Alix 和TSG101，它们参与起自内体的外泌体的生物发生。

相关缩写：ERMs —ezrin （埃兹蛋白，上皮型钙附素）/radixin （根蛋白）/moesin proteins （膜突蛋白）； FLOT1, flotillin 1（脂阀结构蛋白1）; HSP, heat shock protein （热休克蛋白）; MHC, major histocompatibility complex （主要组织相容性复合体）; Rab GDI, Rab GDP-dissociation （分离） inhibitor （Rab GDP-分离抑制剂）; RAP 1B, Ras-related protein 1B （Ras 相关蛋白1）; TSG101, tumor（肿瘤易感基因101）. susceptibility gene 101此外，内体内含有参与脂质代谢的蛋白质（40）（图3）。

对外泌体进行高通量蛋白组学分析，结果显示，外泌体内存在胞外基质和细胞表面蛋白，如胶原蛋白、整合素和半乳糖凝集素；细胞表面受体，如血小板源性生长因子受体B 和表皮生长因子受体（EGFR ）;以及信号分子和细胞骨架构成，外加代谢性酶和G 蛋白（41,42）。

外泌体的脂质构成还未被完全描绘出来，但明显与其起源细胞的脂质构成相对的是，外泌体富含胆固醇、神经酰胺、磷酸甘油酯和长链脂肪酰基，所有这些物质都可能使外泌体具有结构稳定性（见参考文献43）。

外泌体携带的并非可溶型前列腺素，相反，前列腺素与外泌体膜结合，使外泌体的生物作用潜在增强，以便传递给靶细胞（44）。

由于外泌体曾经被报导携带功能性MRNAs 和miRNAs ，二者可在细胞间传递，因而外泌体的RNA 内容物备受关注，是人们取得发现的活跃邻域（45）。

至于外泌体RNA 内容物的其他部分，它们是细胞RNA 的一部分，在某些情况下可能完全不同或具有组织特异性，然而其他RNA 由于在其生物发生期间能够特异性靶向作用于MVBs ，因而不管它们的细胞起源如何它们都普遍存在于所有外泌体中Alix TSG101 硫氧还原蛋白 膜联蛋白 过氧化物酶 I, II, IV, V, VI Gi2α Rabs 5, 7 Rab GDI 多配体聚糖结合蛋白 Rho GDIs RAP 1B 14-3-3 HSP70 HSP90亲环素A 四跨膜蛋白 ERMs肌动蛋白 Flot1 MHC（46）。

除了含有RNA 外，外泌体中还含有由肿瘤释放的微泡，其内含有单链DNA 、基因组DNA 、cDNA 和转位因子（47）。

外泌体是细胞间交流的信使 一旦从细胞中被分泌出来，外泌体便可将所载内容物传递给邻近或是远处细胞，并可修饰靶细胞的基因表达、信号和整体功能。

它们被不同的细胞吞入，其中包括巨噬细胞、内皮细胞和肿瘤细胞（48-50）。

外泌体在免疫系统中发挥信号作用，树突状细胞借此信号通过外泌体将MHC 多肽传递给其他树突状细胞，从而激活免疫应答（51）。