外泌体：新一代药物递送的纳米级载体平台？

Wind 2023-07-25

生物活性物质被安全有效的递送到其相关靶位点是药物开发中的关键一环，纳米颗粒是目前在基因和药物传递领域的前沿技术之一。迄今为止，众多载体中（脂质体、脂质纳米颗粒、聚合物胶束、无机纳米颗粒）最成功的递送载体是脂质体，在市场上获得临床批准的数量最多。其中外泌体是细胞外囊泡（包括外泌体、微囊泡体和凋亡小体）的一种，粒径分布在30-200纳米之间的脂质包裹体结构，富含脂质、核酸和蛋白等成分。

图 1 ：细胞外囊泡的生物发生和释放

外泌体于 1981 被发现并命名， 2013 年诺贝尔生理与医学奖颁发给了包括詹姆斯 · 罗思曼在内的 3 位科学家，以表彰他们发现细胞囊泡（外泌体等）运输和调控机制，近年外泌体相关研究进入爆发期，完成了从细胞 “ 尘埃 ” 到现在的 “ 新贵 ” 的转变。

图 2 ： PUBMED 上搜索 “ 细胞外囊泡或外泌体 ” 关键词出现的文章数量

1995 年 FDA 批准 Johnson 的包载有盐酸阿霉素脂质体抗肿瘤药物 Doxil 上市，脂质体包载药物后相比于游离药物具有较长的半衰期和一定的被动靶向性，显示出巨大的临床价值。 Doxil 的上市开启了脂质体治疗疾病的先河，迄今为止， FDA 批准了 10 多款脂质体药物上市。

表 1 ： FDA 批准上市脂质体药物

截至至今，尚未有细胞外囊泡 / 外泌体相关的上市药物，在临床试验数据库（ https://clinicaltrials.gov/ ）以细胞外囊泡或外泌体（ Extracellular vesicles OR Exosome ）为关键词粗略进行搜索，发现有 447 项研究，其中大部分与生物标志物识别和各种类型的癌症诊断 / 预后有关，涉及外泌体作为递送载体方向的研究则比较少。

图 3 ：临床试验数据库研究数量

表 2 ：外泌体作为递送载体方向的研究

研究 1 （ NCT05043181 ）为首次人体研究旨在评估基于外泌体的核酸纳米平台在纯合子家族性高胆固醇血症基因治疗中的安全性和初步有效性；研究 2 （ NCT04879810 ）的研究者评估单独的外泌体、姜黄素和外泌体加姜黄素联合使用对难治性炎症性肠病患者症状和疾病评分的影响，外泌体则是为了增加姜黄素的稳定性、溶解度和生物利用度；研究 3 （ NCT03608631 ）研究了间充质基质细胞衍生的 KrasG12D siRNA （ iExosomes ）外泌体在治疗 KrasG12D 突变已扩散到身体其他部位的胰腺癌参与者的最佳剂量和副作用；研究 4 （ NCT01159288 ）为肿瘤抗原负载树突状细胞来源外泌体疫苗接种诱导化疗不可切除非小细胞肺癌患者的临床试验。

图 4 ：游离药物，临床批准的合成纳米颗粒和细胞外囊泡的特征

外泌体的结构与脂质体较为相似，亲水核心被两亲性脂质膜结构所包裹，其中临床批准的脂质体在 100 nm 左右，与外泌体有较为相似之处，这些为未来药物的外泌体包载提供了可能性。正是由于二者相似的结构，人们不免会对二者进行类比与比较：脂质体类一般成分比较简单明确，而外泌体含有核酸、蛋白和脂质成分；外泌体一般为细胞来源，产能可能会受限，相比脂质体稳定性和安全性较好；外泌体可进行多种改造来进行装载药物，如利用外泌体蛋白 PTGFRN 作为支架在外泌体表面展示具备完全活性的 IL-12 。脂质体和外泌体两者作为纳米级递送载体，都存在肝脏脾脏的积累问题，限制其靶位点的活性，脂质体的另一个问题是会引起急性超敏反应，天然递送载体可能是结局这些问题的良好方式，目前少有文章对脂质体和外泌体进行直接对比。

介于细胞来源的外泌体有如上问题，出现了许多办法：如红细胞通过一定孔径膜来制备外泌体类似物解决成分复杂问题、通过大规模细胞培养结合过滤与切向流技术解决产能问题、通过细胞膜连接 “CD47” 来触发 “ 别吃我 ” 信号来增加循环时间等，当然也有研究尝试通过提前施加空载外泌体药物来躲避网状系统的吞噬，相关技术仍在不断向前发展变化中。

图 5 ：外泌体的载药以及改造策略

脂质体载药有主动和被动两种方式的药物装载方法。主动载药法为空脂质体与药物混合，药物在磷脂相变过程中通过扩散进入脂质体（如载多柔比星根据硫酸铵梯度原理将药物由外水相主动载到内水相），该方式载药通常为弱酸 / 碱性药物。被动载药为脂质体制备过程中将药物混合在脂质组分中直接制备载药脂质体。外泌体脂质包裹的结构对外源药物的包载提出了一定的挑战性，目前有被动和主动两种方式的药物装载方法。被动载药法：药物分子与供体细胞或者提取完成的外泌体共孵育，借助药物的浓度梯度差异完成药物的装载。药物分子与供体细胞共孵育的方式，后续步骤仍然避免不了分离纯化步骤来提取外泌体，而且药物分子对细胞的毒性应该进行评估，但对于脂质体而言，外泌体独有的细胞内源装载药物可能是一个潜在的优势。被动载药方式条件比较温和，操纵比较简单且一般不会对膜结构造成损伤，但是一般装载效率比较低，常用于疏水性药物分子（如姜黄素）的装载。相比于被动载药法，主动载药法通过暂时破坏囊泡的膜结构来对药物分子进行高效装载。常见的主动载药方式有 1 ）电穿孔：通过电场的施加来破坏膜结构使得药物分子进入到膜内，该方法疏水性药物分子的装载效率较低； 2 ）冻融法：通过冻融循环（如液氮低温冷冻 - 室温复溶循环）来装载药物，但应该注意到外泌体可能会存在聚集情况； 3 ）透化剂孵育：通过添加透化剂来破坏膜结构来装载药物，当然，透化剂如皂苷产生的溶血问题应该注意； 4 ）挤出法：外泌体与药物混合后通过一定孔径的装置，在此过程中膜结构破坏而使得药物装载进外泌体。主动载药法免不了对囊泡的膜结构的破坏，在此过程中外泌体膜结构恢复完整性的效率有待评估，而且该方法由于装载条件剧烈而不可避免出现外泌体聚集等问题的发生。

图 6 ：外泌体的主动和被动载药

脂质体低毒性源于其成分中磷脂和胆固醇为细胞膜成分，靶向成分的添加可以提高其向病灶的主动靶向性，但是临床效果未能实现。外泌体表面进行改性，如连接其他分子如 CD47 或治疗性分子如神经元特异性狂犬病病毒糖蛋白（ RVG ）肽来达到增加循环时间或靶向性达到治疗疾病的目的。上市脂质体包在的药物均为分子量小于 1000 道尔顿的化合物，外泌体的载药实验从小分子如姜黄素到大分子如核酸、多肽等均有涉及。

纳米粒子装载药物后的递送有主动和被动的靶向策略：主动靶向涉及的是纳米粒子在表面进行工程化改造来对感兴趣位点进行优先结合，而被动靶向则是利用纳米粒子自身属性如粒子大小来对感兴趣位点进行递送，比如肿瘤位点的 EPR 效应。

外泌体和脂质体有各自的优点和局限性，如果将两者进行杂交制造出新型纳米递送载体（利用脂质体可调节的脂质和蛋白质组成、成本低等和外泌体的天然靶向特性、低免疫原性等）会不会更好呢？这些方法确实已经启动。

图 7 ：外泌体和脂质体的杂交融合

目前临床评价的载体产品都涉及工程外泌体，目前没有其他类型的 “ 外泌体样囊泡 ” 在试验中。目前的研究中关于外泌体 PD/PK 信息有限，对于这部分信息的匮乏可能会严重限制其进入临床研究中的进程。细胞外囊泡（包括外泌体、微囊泡体和凋亡小体）中三个种群粒径之间相互重叠，特异性蛋白缺少共识而阻碍了它们在亚水平层面的表征而进一步限制其发展。虽然科研工作者们正在尝试使用外泌体的独特性质来递送各种生物药物，但外泌体包括本身成分以及生产过程的复杂性、粒径异质性和尚未有明确的质控标准在内的诸多因素限制其基础和转化研究。外泌体的使用已被临床证实，《细胞外囊泡治疗定义的最低实验要求》（ Minimal information for studies of extracellular vesicles, misev ）早在 2014 年提出，但监管部门尚未有指南明确规定应在外泌体产品档案中需要报告的数据，何时实现这个目标仍然需要广大科研人员的不懈努力。

全球以外泌体作为递送载体的公司中最具代表性的为成立于 2015 年的 Codiak ， 2020 年该公司便将外泌体疗法推进到了临床实验并上市纳斯达克。今年 3 月 Codiak 宣布破产保护，一位外泌体治疗的先行者轰然倒下。 Codiak 将外泌体疗法推进到临床阶段，而且其临床效果比较显眼，如 exoIL-12 的效果很好， IL-12 不仅成药而且具有治愈淋巴瘤的效果。 Codiak 虽然倒下，至少其证明了外泌体治疗的潜在价值，其后还有众多追随者前仆后继。