外泌体在精准医疗中的应用潜力 · 专题外泌体在精准医疗中的应用潜力 2018. 02（3月）生物产业技术 67...

专题外泌体在精准医疗中的应用潜力

65www.biobusiness.com.cn 生物产业技术 2018. 02（3 月）

　　张亚飞，博士。凯杰（苏州）转化医学研究有限公司董事长兼首席执行官。曾

任美国方达医药技术公司中国区总经理和集团资深副总裁、诺华中国研发中心部门

总监、美国 OSI 医药集团公司部门总监及美国辉瑞全球研发中心经理。研发及申报

了 6 个 IND 和 1 个 NDA/MAA 药物上市。

　　全球生命科学和医疗健康产业领域华人精英组织百华协会（Bayhelix）会员。

江苏省生物技术协会副理事长、中欧化工生产协会生物技术委员会主任委员。中国

生物工程学会精准医疗与伴随诊断专业委员会（筹）发起者之一及副主任委员。曾

获园区创业创新领军人才、金鸡湖双百人才、江苏省双创人才、江苏省海外高层次

人才和江苏省优秀企业家称号并入选中组部国家“千人计划”专家。E-mail: nick.

[email protected]

外泌体在精准医疗中的应用潜力张亚飞，王瑜，魏良君，廖湘勇，王丛

凯杰（苏州）转化医学研究有限公司，苏州　215123

摘要：外泌体是一种由细胞分泌的具有双层脂质膜结构的纳米级小囊泡，携带核酸和蛋白质等多种具有生物活性

的内容物，不仅能够介导细胞间信号转导和信息交流，还参与了人体内各种疾病的生理过程。肿瘤来源的外泌体

能够参与调节肿瘤病理发展、转移、血管生成和免疫逃逸等，可作为肿瘤早期诊断、预后的新焦点，具有较大的

潜在临床应用价值。从外泌体来源、内含物以及凯杰（苏州）的研究经验等多方面内容，阐述外泌体的特点、应

用及前景，并且对外泌体在肿瘤的发生发展、转移侵袭以及作为液体活检的主要组成在肿瘤精准诊断与个体化治

疗方面的进展和应用潜力进行综述。

关键词：液体活检；外泌体；生物标志物；临床应用；精准医疗

DOI:10.3969/j.issn.1674-0319.2018.02.008

精准医疗是一种以分子生物学表征为基础，结

合个性化预见性治疗模式的新型治疗手段。在精

准医疗的疾病诊断、治疗、监控背景下，液体活

检（提取患者的血液、脑脊液、尿液或其他液体成

分，分析肿瘤基因等）以其微创、标本易得、可动

态监控肿瘤基因谱及实时判断疗效等特点，在临床

研究中逐渐显示出其优势 [1-2]。液体活检的研究对象

主要包含三大内容：循环肿瘤细胞（circulating tumor cell，CTC），循环肿瘤DNA（circulating tumor DNA，

ctDNA）和外泌体。CTC是指进入人体外周血中的

肿瘤细胞。早期发现血液中的CTC可以辅助疾病诊

断，并评估疗效、预测转移等。但其含量非常稀少，

约为2 ～ 3个 /7.5 mL外周血 [3]。ctDNA主要指的是

肿瘤组织细胞凋亡 /坏死或CTC溶解后释放入血液

中的核酸及其片段，可用于寻找靶点、靶向药物的

耐药机制等，具有一定的临床价值。但ctDNA具有

半衰期很短、片段化很强、易降解、只能检测核酸

等特性，使其在应用上具有一定局限 [4]。其他一些

检测手段，如组织学检测、血清学检测，也都存在

一定的局限性。组织学检测只能检测出一部分存在

于肿瘤细胞中的突变。血清中所检测出的生物标志

物会随着血液中各种酶的变化而变化，稳定性较差。

外泌体是一种纳米级细胞外囊泡，可由多种类

型细胞释放，初被研究人员当作细胞“废弃物”[5]。

随后大量的研究发现外泌体胞液中含有与其来源密

切相关的各种核酸物质、蛋白质、脂质等，并且外

专题

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泌体参与细胞之间的通讯，对受体细胞或受体系统

进行调节，因而逐渐引起关注 [6]。随着对外泌体在

肿瘤疾病发生发展机制和作用研究的不断深入，外

泌体正成为研究的热点，焦点聚集在临床疾病上，

尤其在肿瘤及其他疾病发生和治疗中的作用。

1　外泌体概述

1.1　外泌体的来源、形成及特征

1987年，Johnstone等 [5]在研究网织红细胞成熟

转变的过程中发现一种囊膜结构的小泡，但当时并

未引起研究人员的关注，认为其仅仅是红细胞成熟

的“废弃物”。随着对小泡的深入研究，证实了该小

泡是一种机体在生理情况或疾病状态下细胞通过胞

吐形式分泌的胞外囊膜，并称之为外泌体。随后进

一步证实，外泌体是胞内多囊泡体融合细胞膜后释

放的一种具有脂质双层膜结构的纳米级小泡，直径

约为40 ～ 100nm。外泌体起源于细胞内吞途中的多

泡体，其形成过程主要包括出芽、内陷、多泡体形

成、分泌四个过程。细胞内膜内陷，以“出芽”形

式形成网格蛋白囊泡，网格蛋白囊泡进入胞质中形

成早期核内体，进一步内陷形成多泡体，即晚期核

内体。根据所执行的功能不同，多泡体内小囊泡包

含的蛋白成分、脂类和核酸也不同。而后晚期核内

体一部分进入溶酶体途径，降解包含物；一部分与

细胞膜融合，将其内部所包含的多个囊泡结构释放

至细胞外基质中，即形成外泌体（图1）[6-7]。

外泌体在机体内广泛存在，如外周血、腹水、

尿液、唾液、脑脊液等各种体液中。即获得外泌

体的途径较其他检测物质容易 [8-12]。此外，外泌

体中还含有多种脂类分子，这些脂类物质对外泌

体具有非常重要的作用，使外泌体在体液中能够

以一种稳定的形式存在，不被体液中的机体酶所

降解。这一特性是外泌体成为精准无创液体活检

媒介的保障。另外，在外泌体囊膜上还镶嵌有各

种表面大分子物质，如CD蛋白、MHC复合物、

EGFR、PD-L1等，这些结构促使外泌体能够特异

性接收受体细胞传递的信号，并精准呈递给其他

靶细胞，从而起到调节机体受体细胞功能的作用。

并且机体在不同病理状态下所分泌的外泌体内含

物或表面物质不同，与各类疾病的生理变化相一

致，所以也可将外泌体作为在机体病理状态下一

种“标签”，通过检测外泌体的成分能够实时监测

患者体内的基因变化情况，使其得到针对性的系

统治疗，以求达到好的疗效 [13]。此外，由于外

泌体具有一定程度的稳定性，可以使用低温储存

较久的样本提取；提取方法也逐渐成熟和多样化，

图 1　外泌体的形成及分泌



充分显示了外泌体这一样本类型的应用优势。这

些外泌体的特点使其成为液体活检中在获取手段

及数量上都占有优势的样本类型（表 1）。

1.2　外泌体的内含物及生物学功能

外泌体具有双层囊膜结构，膜内包含的物质主

要是蛋白质、核酸以及脂质。目前，根据ExoCarta数据库（http ：//www.exocarta.org/）统计，外泌

体中已发现9769种蛋白质、2838种miRNA、3408种RNA以及1116种脂质。初的蛋白质组学研究

表明，外泌体含有一类特定类型的细胞蛋白质，如

CD9、CD63、CD81、CD82等，这类蛋白不随外泌

体类型而改变，可作为外泌体的生物标志蛋白。另

一类外泌体蛋白随体细胞以及细胞功能的不同而不

同，主要包括热休克蛋白、MHC蛋白等 [14]。此外，

外泌体中还含有一些脂质，如外膜中的鞘磷脂、神

经节苷脂，以及胞质中的胆固醇和其他脂类 [15]。除

蛋白质和脂质外，外泌体中还包含大量的核酸，如

DNA、miRNA、mRNA、lncRNA等 [16]。

外泌体与受体细胞接触时，通过与受体细胞膜

的融合将包含的物质释放到受体细胞中，从而改变

受体细胞的组成，进而调控受体细胞执行的功能。

首先，外泌体通过其表面携带的各类蛋白质或脂质

配体，与靶细胞受体结合，充当抗原呈递的角色，

调控机体的免疫应答功能，如调控肿瘤发生发展、

侵袭、转移及耐药。其次，外泌体与受体细胞融合

后，释放内部信号分子进入受体细胞，参与细胞与

细胞间的信息传输以及物质运输，不仅能够调控邻

近细胞间的交流，通过运输还能间接影响远端细胞

的生理状态 [17]。另外，由鞘磷脂组成的外泌体外膜

能够保障外泌体内含物稳定存在于体液中，因此基

于外泌体的液体活检将作为疾病精准医疗、个体化治

疗的基石，具有巨大的临床应用潜力和研究价值。

1.3　外泌体的分离纯化方法和表征

初外泌体分离的典型方法是差速离心，以

100 000g超速离心之前，较大的囊泡可通过逐渐提

高离心速度而被消除，直接高速离心能人工制造大

量的小囊泡并将这些囊泡沉淀。目前很多研究人员

使用此方法或更高速的超速离心 [18]。在100 000g的离心速度下，不同大小的囊泡及蛋白质会聚成聚集

体，超速离心仅能富集外泌体或囊泡的亚型，不能

起到纯化的作用。另一种分离外泌体的方法是蔗糖

梯度离心，通过蔗糖使蛋白质聚集，而脂膜包被的

囊泡或外泌体则向上漂浮到平衡浮力的位置。这种

方法已被用来富集用于临床的外泌体，方法是通过

结合500kDa膜对样本进行过滤和浓缩，而后采用

D20-蔗糖梯度，超速离心获取外泌体 [18-19]。

由于外泌体研究要求提取方法快速和简单，不

需要超速离心的试剂盒的需求在市场上逐渐增长。

据推测，这些试剂盒是基于聚合物的沉淀或通过

抗体包被的磁珠免疫捕获等原理。前者能沉降的

物质更广泛，而后者比超速离心沉淀的囊泡更小。

QIAGEN的外泌体提取技术已经为很多科研机构、

医院验证，后续提取的RNA得率、纯度都高于其他

商业化试剂盒，并能更广泛地应用于下游多方面的

检测，被国内外文献大量报道（表2）[20-21]。

外泌体提取纯化后，在进行临床应用前一般都

表 1　CTC、ctDNA、外泌体分析能力比较

分析内容举例 CTC ctDNA 外泌体

突变点突变、插入和缺失、扩增

√ √ √删除、易位

表观遗传修饰甲基化模式 √ √ √

RNA 转录谱mRNA 表达水平及活性，小 RNA，长链非编码

RNA，RNA 剪接变体√ — √

炎症反应，间质和其他系统性改变炎症 RNA 及蛋白标志物 — — √

肿瘤细胞的表型研究细胞形态学，体内试验研究 √ — —

蛋白研究蛋白质定位，信号共定位 √ — —

肿瘤细胞 DNA/RNA/ 蛋白表达分析 DNA/RNA/ 蛋白分别或合并研究 √ — √

能否使用生物样本库的样本能否使用冷冻血浆、尿液或其他生物体液 — √ √

专题


需要对其进行表征验证。目前表征验证的一般方法

是形态学观察以及外泌体标志蛋白的检测。外泌体

的形态是通过电镜进行观察的，可直观了解和掌握

外泌体的大小、形态等表观信息 [22]。从分子蛋白水

平对外泌体进行验证，主要是采用Western Blot方法

检测外泌体表面标志蛋白，如CD9 、CD63等的结

构，相较形态学判断更精准 [23]。此外，还有一些其

他的方法，如动态光散射技术、流式细胞技术、纳

米微粒追踪分析术等 [24-25]。动态光散射技术是将光

强的波动转化为相关曲线，从而得到光强波动的速

度，计算出粒径，但是该方法只适合通过色谱法制

备的大小均一的外泌体的测量，类似于电镜观察法，

只能对外泌体进行定性表征分析。流式细胞技术和

纳米微粒追踪分析术主要是通过荧光信号的传导进

行测定，分辨率高、准确度高且能进行定量和定性

分析，但仪器成本和检测成本较大，目前在临床应

用中还未广泛推广。

2　外泌体与疾病

2.1　外泌体与肿瘤

肿瘤的形成主要涉及肿瘤细胞和肿瘤微环境，

而肿瘤的发展、转移则取决于肿瘤细胞与微环境之

间的信息交流，外泌体是两者间交流的一种重要方

式，外泌体通过将核酸和蛋白转移到靶细胞和靶组

织，在细胞与细胞间通讯过程中起到关键作用，能

够调节肿瘤发生发展、转移、血管生成和免疫应答

（图2）[26-27]。对于肿瘤外泌体的研究，能够为肿瘤

的临床诊断及精准医疗带来新的发展契机。

图 2　肿瘤细胞通过自分泌或旁分泌形成促肿瘤发生发展微环境模型

2.1.1　外泌体与肿瘤发生发展、侵袭和转移

在机体内，外泌体可作为一种细胞间通讯的媒

介，通过转运癌基因核酸或片段、或致癌因素来促

进肿瘤形成。如胃肠道间质肿瘤细胞分泌的外泌

体，可以通过侵袭细胞间质，从而促进相关肿瘤细

胞的形成，随后形成肿瘤细胞簇和微环境，发展为

恶性肿瘤 [28]。Zeng等 [29]研究表明，携带PTPRZ1-MET融合基因的髓母细胞瘤细胞释放的外泌体能够

提升肿瘤的恶性程度，并赋予不含PTPRZ1-MET融合基因的肿瘤细胞一定抗药性，进一步促进肿瘤发

表 2　不同外泌体提取商业化试剂盒对比

方法

提取效率（exoRNA）结果推荐用途浓度纯度

Ultra+Trizol 低低① exosomes 提取效率低；

② Agilent2100 生物分析仪未观察明显 RNA 条带①起始体积较大的样本；

②制备细胞培养用无 exosomes 胎牛血清

Exoquick 中中有蛋白污染 exoRNA 分析备选方法

Exoquick+HLR 高高提取到一定 miRNA miRNA qPCR 备选分析方法

ExoRNeasy（QIAGEN）

高高①小 RNA 量和纯度均较高；

②可处理 4mL 血清

①小 RNA 测序；② miRNA qPCR 分析；

③可应用于大量临床样本的快速提取

TEI+TER 高低 Agilent2100 生物分析仪未观察到明显条带体积较小原液中 exosomes 提取



展。肿瘤的转移是一种肿瘤恶化的标记，肿瘤细胞

通过转移，侵袭某些特定的机体器官，形成新的转

移灶，这个过程主要是通过肿瘤细胞来源的外泌体

实现。在肿瘤细胞发生转移前，通过分泌一些外泌

体（外泌体通过自分泌、内分泌、旁分泌或其他促

肿瘤生长的信号，如释放相关的miRNA）使受体细

胞获得转移特性，控制局部的微环境，促进肿瘤细

胞远端转移 [28]。也有研究表明，外泌体可通过传递

CD44到腹膜间质细胞来促进卵巢癌细胞的浸润 [30]。

Isola等 [31]发现黑色素瘤细胞分泌的外泌体能够为肿

瘤转移创造微环境，增强黑色素瘤细胞的迁移能力。

Lugini等 [32]研究发现一些肿瘤细胞能够共享同一恶

性特征，如结肠癌分泌的外泌体包含一些肿瘤促进

蛋白（KRAS、EGFR等），转移到受体细胞中后，

能够增强受体细胞的侵袭性和转移性，进而使受体

细胞呈现与结肠癌细胞相同的基因特性，从而促进

结肠癌的发展。

2.1.2　外泌体与肿瘤血管生成

肿瘤的浸润、转移等恶化过程，需要一个专门

的微环境来维持肿瘤细胞的生长，微环境主要就是

通过新生血管构建的。肿瘤细胞在大量消耗营养及

氧气的情况下，会释放出更多的外泌体，通过外泌

体与机体细胞之间建立信息交流，促进血管的生长，

从而维持更多肿瘤细胞的生长和发展，即肿瘤细胞

血管形成是肿瘤发展过程中一个非常重要的过程 [29]。

有研究表明，肿瘤细胞分泌的外泌体能够通过运输

血管生成相关蛋白质和核酸，如促血管生成调节因

子HGF、FGF、PDGF、VEGF等，以及促进血管生

成的 miRNA、mRNA 来促使肿瘤细胞血管新生。并

且肿瘤细胞分泌的外泌体鞘磷脂能够破坏内皮细胞

完整性，从而进一步促进血管生成 [33]。Wang等 [34]

研究表明，多发性骨髓瘤来源的外泌体能够通过其

内含物移动其内皮细胞（ECs）和促进血管的再生，

从而搭建肿瘤的微环境，促进多发性骨髓瘤的发展。

Hood等 [35]发现黑色素瘤在发生转移前，会通过其分

泌的外泌体作用内皮细胞，释放粒细胞 -巨噬细胞

集落刺激因子（GM-CSF），从而诱导低氧诱导因子

的生成，低氧诱导因子能够促使血管的生成。那么，

抑制某些肿瘤源外泌体的分泌或运输，是否可以抑

制或逆转肿瘤血管的新生呢？有临床研究表明，通

过调控一些靶基因能够抑制肿瘤血管新生，如贝伐

单抗通过抑制肿瘤血管生成，能够有效增强晚期非

小细胞肺癌患者的化疗效果 [36]。

2.1.3　外泌体与肿瘤免疫应答

在肿瘤发生发展、侵袭以及转移的过程中，机

体免疫系统都会被启动，排斥或清除肿瘤细胞。为

了维持稳定的发展及转移，肿瘤细胞必须对机体免

疫进行抑制或逃避，在这个抑制或逃避的过程中，

肿瘤源外泌体起到非常重要的作用。产生外泌体细

胞类型不同，外泌体在免疫调节中的作用也不一样。

同样，具有不同内容物的外泌体，其所具有的免疫

应答功能也不一样 [37]。外泌体主要具有抗原传递、

免疫逃逸、免疫逃避等调节功能，如肿瘤来源的外

泌体可作为肿瘤抗原传递媒介，将肿瘤抗原呈递给

激活的T淋巴细胞。对于有些细胞，如树突状细胞，

其分泌的外泌体能够直接激活B淋巴细胞和T淋巴

细胞，从而启动免疫应答。但是有研究表明，由于

外泌体较小，直接刺激淋巴细胞的能力较弱，一般

需要与其他抗原呈递细胞结合 [38]。此外，除了抗原

呈递作用，外泌体还能直接诱导免疫反应，其包含

物中含有大量的蛋白、核酸等物质，释放后可作为

天然的抗原因子来调节免疫系统。针对这一点，有

研究人员将其弱化后制备外泌体疫苗进行临床肿瘤

治疗。Damo等 [39]采用树突状细胞来源的外泌体进

行治疗，结果表明外泌体具有一定的安全性。并且

树突状细胞来源的外泌体可以显著增加NK细胞和

NK-T细胞的循环数量，进而增强相应的抗肿瘤活

性。另一方面，外泌体还具有免疫逃逸的作用，能

够协助肿瘤细胞逃避攻击。研究报道，有些肿瘤细

胞分泌的外泌体会促进一些有调节功能的T淋巴细

胞分泌大量的免疫抑制因子，从而抑制机体的免疫

应答 [40]。

2.2　外泌体与其他疾病

2.2.1　外泌体与心血管病

心包液（pericardial fl uid，PF）是包含在围绕心

脏的心包膜内的一种液体。外泌体分泌的miRNA参

与细胞与细胞的通讯。近有英国研究人员认为，

专题


PF富含心脏分泌的miRNA，并通过外泌体传递这

些miRNA介导血管反应。与外周血浆相比，PF富含

患者心肌和血管系统中表达miRNA的外泌体。这些

外泌体具有改善ECs的存活、增殖和成管能力，也

可以改善小鼠缺血后血流恢复和血管生成。机制上，

一方面由于 let-7b-5p促血管生成，并在ECs中抑制

其靶基因TGFBR1；另一方面，PF外泌体向ECs中转

移功能性 let-7b-5p，降低ECs中TGFBR1的表达。即

若降低或消除PF外泌体中的 let-7b-5p，能够相应的

削弱这些纳米颗粒促血管生成功能 [41]。

2.2.2　外泌体与帕金森病

帕金森病（PD）是普遍的中枢神经系统失调

病，是第二常见的神经退行性疾病。PD的特点是

中脑黑质致密部（S Npc）中多巴胺能神经元在中脑

内、路易体和轴突中的α-突触核蛋白的积累，及过

度的神经炎症。

脑脊液（CSF）采样，虽然是侵入性的，但是能

够识别可能有价值的PD生物标志物。一项研究PD病

人CSF的外泌体miRNA的结果显示，特定的miRNA亚型有区分不同的神经退行性疾病的潜力。通过使

用TaqMan miRNA阵列检测746个miRNA的表达发

现，相对于健康者，PD患者脑脊液外泌体中有16种miRNA的表达上调，11种miRNA的表达下调，特别

是miR-1和miR-19b-3p显著下调，而miR-153、miR-409-3p、miR-10a-5p和 let-7-c-3p在PD-CSF外泌体中呈

现高度过表达，这些结果大多都符合以往的报道。同

时发现这些miRNA能够提供PD的关键途径所涉及的

基因靶点，如神经营养因子信号和嗅觉突触。为了进

一步验证，研究者们检测了一些阿尔茨海默病（AD）

外泌体脑脊液的样本。有趣的是，他们在来自PD和

AD患者的CSF外泌体中发现了几个相同的miRNA、

mRNA和 lncRNA。尤其是，相对于健康对照组及

AD，miR-153、miR-409-3p、miR-10a-5p和 let-7c-3p在PD-CSF外泌体中表达上调，而miR-1和miR-19b-3p表达下调。这些数据是特定的miRNA亚型存在于

不同的神经退行性疾病中的有力支持 [42]。

2.2.3　外泌体与肾病

糖尿病肾病是糖尿病患者严重的并发症之

一。目前尚没有令人满意的糖尿病肾病治疗方法。

干细胞通过旁分泌机制发挥其治疗作用，这正在成

为糖尿病肾病的新疗法。据报道，干细胞来源的外

泌体在肾脏损伤中发挥重要作用。近一项对大鼠

中尿源干细胞（USCs）的外泌体研究表明，通过培

养尿源干细胞，并用CD29等抗原的阳性标志物以

及CD34、CD45等阴性标志物进行验证，USCs-Exo大约为50 ～ 100nm球形囊泡，特异性标志物包括

CD9、CD63和CD81。静脉注射USCs-Exo可能降低

糖尿病大鼠尿量和尿微量白蛋白排泄率，防止足细

胞和肾小管上皮细胞凋亡，抑制caspase-3过度表达，

增加肾小球内皮细胞增殖。此外，USCs-Exo可以降

低高糖诱导的体外细胞凋亡。USCs外泌体中含有生长

因子、转化生长因子-β1、血管生成素和骨形成蛋白-7等潜在因子，可能与血管再生和细胞存活有关 [43]。

2.3　外泌体与疾病生物标志物

2.3.1　外泌体核酸（以miRNA为主）

外泌体分泌的miRNA在肺癌、结直肠癌、前列

腺癌等中都被报道可以作为癌症早期诊断及预后的

生物标志物 [44]。凯杰（苏州）也参与了很多肿瘤外

泌体miRNA作为肺 /胃癌早筛生物标志物的临床研

究，结果显示一批特定的miRNA的表达能够指示早

期癌症的发生。更多的证据也表明，外泌体miRNA在心血管、肾脏、肿瘤疾病诊断中发挥生理作用。

动脉高血压（arterial hypertension，AHT）目前影

响全球约40％的成年人，其病理机制主要与肾、血

管、内分泌系统有关。盐皮质激素AHT在高血压患

者中占15% ～ 20%，但其机制因为缺乏可靠的生物

标志物而不甚明确。近的报道显示尿液外泌体中

的RNA、miRNA和蛋白质可作为生理和病理标志物，

当然也需要更多的研究来支持外泌体可成为盐皮质

激素AHT的诊断工具 [45]。另一项针对109名PD患者

血清中24个候选miRNA表达的研究发现，与对照组

相比，miR-195和miR-24在PD患者中表达上调，表

明针对血清中外泌体miRNA谱分析可能成为PD诊

断的新策略 [46]

心肌梗死在临床上通常表现为冠状动脉的闭塞

以及心肌细胞的坏死。外泌体在心血管疾病中发挥

重要的生理作用，心肌祖细胞及胚胎干细胞可通过



分泌外泌体来介导心肌梗死患者心肌细胞的再生及

心血管的重塑。近研究表明，心肌梗死大鼠模型

外周血循环中可检测到大量表达的miRNA-22，这些

稳定存在于外泌体的miRNA能够显著抑制梗死区心

肌细胞的凋亡，发挥心脏保护作用 [47]。

2.3.2　外泌体蛋白

热休克蛋白作为外泌体内容物之一在相关的肿

瘤治疗中逐渐成为热点。癌细胞本身会释放外泌体，

在抗肿瘤药物的作用下，带有热休克蛋白的外泌体

能够激活自然杀伤细胞，进而诱导机体产生抗肿瘤

免疫反应，这一发现使得肿瘤疫苗的研究有了可能

的安全来源。Vicencio等 [48]通过对比心肌梗死患者

和健康人分泌的血浆外泌体发现，健康人分泌外泌

体能够产生包含热休克蛋白70（Hsp70）等内源性

保护因子，从而显著改善心肌局部缺血症状。Hsp70通过调控促炎性基因的表达来介导单核细胞与内皮

细胞的黏附作用。Hsp70高表达的外泌体还可能参

与调控了动脉粥样硬化病变中单核细胞的内皮下迁

移作用。研究表明，巨噬细胞在活化状态下分泌的

外泌体高表达m iR-223，进一步激活了动脉粥样硬化

病变中的炎症反应 [ 49]。

研究表明，血小板来源的外泌体活化后能够携

带CD40配体并调控包括单核细胞来源的树突状细胞

等抗原呈递细胞的分化作用。然而，部分滞留的血

小板来源的外泌体却抑制了单核细胞向巨噬细胞及

成熟树突状细胞的分化作用。该结果说明血小板来

源的外泌体对于炎症反应会产生不同的影响，并且

能够通过介导血管平滑肌细胞增生以及内皮细胞促

炎性因子的激活等途径来参与到动脉粥样化形成这

一过程 [ 50]。单核细胞分泌的外泌体通过激活巨噬细

胞和内皮细胞的途径参与到动脉粥样化形成。

2.4　外泌体在疾病治疗中的潜力

2.4.1　外泌体作为运输载体

（1）外泌体作为载体运输小RNA进入大脑

外泌体也提供了另一种将miRNA和其他小RNA提供到大脑中的有效方法。研究者能够用外泌体将

靶 siRNAs递送至小鼠大脑。为了减少免疫原性，他

们从有相同细胞基因型的小鼠分离出外泌体，然后

将靶 siRNAs加载至外泌体。该研究设计树突状细

胞表达LAMP（外泌体膜蛋白），与狂犬病病毒糖蛋

白（RVG）融合，使其结合乙酰胆碱受体，所得的

外泌体通过静脉注射能够有效地将 siRNAs递送至

神经元、小胶质细胞和少突胶质细胞。结果证明，

siRNAs能够在mRNA和蛋白质水平抑制其靶标 -β-分泌酶1（BACE1，一种众所周知的在脑内的AD靶点）[51]。

（2）外泌体作为免疫疗法的载体

由于外泌体可运输抗原，使其在免疫疗法中也

展现出很大的潜力。Cheng等 [52]通过纯化的巨噬细

胞外泌体将分歧杆菌的抗原运送至小鼠体内，产生

了特异的T细胞反应。在另一个研究中，由肿瘤细

胞产生的外泌体将抗原运输到树突状细胞中，而树

突状细胞在随后的免疫疗法中起到了作用 [53]。由于

树突状细胞的外泌体能够直接诱发免疫反应，也成

为研究的热点。Colino等 [54]证明了从白喉类毒素的

树突状细胞中得来的外泌体可在小鼠体内直接诱发

免疫反应。

2.4.2　外泌体在化疗中的作用

（1）外泌体作为化疗药物给药的载体

将外泌体用于药物载体一直受到关注，但是其

应用受到外泌体依靠天然分泌，生产效率低的制约。

2017年3月的路易斯维尔大学报道了使用牛奶来源

的外泌体作为化疗药物载体代替传统静脉注射治疗

肿瘤的可行性。在对荷瘤小鼠施加同等剂量的紫杉

醇情况下，利用牛奶来源的外泌体负载的紫杉醇治

疗效果更好，副作用更低。牛奶中具有大量的外泌

体等囊泡，便于大规模制备，该研究为外泌体的来

源提供了全新的思路 [55]。

近年来，靶细胞自身来源的外泌体也受到格外

关注，引发了众多研究。例如Saari等 [56]利用不同的

离心分离技术、电子显微技术、纳米追踪技术等方

法将外泌体从前列腺癌细胞中分离出来，同紫杉醇

一起运送到前列腺癌细胞中，检测药物运输的效力

和药物的分布。结果证明前列腺癌细胞来源的外泌

体在体外试验中可将紫杉醇有效地运输至前列腺癌

细胞中。

专题


（2）外泌体介导的化疗抗药性

癌症治疗中出现的耐药化疗抵抗仍然是癌症治

疗的主要障碍，往往造成治疗的失败或肿瘤的复

发。有多种因素影响耐药，包括肿瘤细胞外泌体的

分泌能够改变肿瘤对化疗药物的敏感性。目前认为

外泌体介导的药物抗性机制有三种：药物通过外泌

体途径输出，中和基于抗体的药物和外泌体介导的

miRNA的转移。Ciravolo等 [57]在体内和体外试验中

同时证明了癌细胞来源的外泌体参与基于抗体的药

物中和过程：过度表达HER2蛋白的乳腺癌细胞系

释放的含HER2蛋白的外泌体，可以结合抗HER2抗体曲妥珠单抗，导致了可以与癌细胞结合的抗体量

的减少，终降低曲妥珠单抗的总体效应。近几年

来。外泌体介导的miRNA的转移引起的耐药性也引

起了研究人员诸多兴趣。癌症细胞来源的外泌体在

肿瘤微环境中起到遗传交换的作用。几个体外试验

相继表明乳腺癌细胞对不同药物包括多西他赛、阿

霉素、他莫昔芬产生耐药性，部分原因是外泌体 miRNA交换到敏感细胞 [58]。

3　外泌体检测平台及外泌体应用发展的展望

QIAGEN的子公司Exosome Diagnostics是液体

活检市场的领导者，在2017年6月的美国临床肿瘤

学会世界大会展示了Shahky——世界上第一个即时

的蛋白质捕获和分析仪器。Shahky仪器通过靶向选

择疾病特异性的外泌体，来实现其高灵敏度。2018年1月波士顿首屈一指的医院进行的验证试验表明，

该仪器的强大功能使其成为发现、评估和验证临床

生物标志物的一项有力技术，对细胞外囊泡、细胞

和化学物质进行液体活检测定，有助于患者的诊

断，是液体活检在市场上早期疾病即时检测的领先

平台。

Exosome Diagnostics在2017年8月推出MedOnc-Alyze 170平台，该平台能够在单次试验中同时检测

外泌体RNA和循环肿瘤DNA的液体活检的癌症检

测系统。 MedOncAlyzer 170是用于分析肿瘤靶标的

检测平台，能够从较小体积（≥0.5mL）的患者血

液或血浆中鉴定出多种癌症类型，并能够检测有临

床价值和重要功能的突变。MedOncAlyzer 170平台

利用Exosome Diagnostics的专利技术，能够进行核

酸同时分离、靶向捕获和生物信息分析，具有前所

未有的灵敏度和检测范围。

外泌体相关的生物技术公司也相继出现，如

韩国的MDimune公司。MDimune公司计划通过

BioDroneTM开发世界上第一种基于人造外泌体药物

递送平台，将所需的药物靶向运输至癌细胞，解决

过去用作药物载体的脂质体和聚合物颗粒在输送抗

癌药物时具有特异性的问题。该公司通过挤压细胞

分离并纯化所需的外泌体，包封各种抗癌药物，可

在10 ～ 20min内完成；同时，用CD63、Tsg101等外泌体标志蛋白鉴定的结果表明，人造外泌体在形

态和蛋白质组成方面，与天然外泌体相似，显示了

其广阔的应用前景。

综上所述，液体活检欲作为癌症诊断及疾病监

控的临床常规检测手段，还需要更多的临床数据来

建立标准，但是相对于组织样本的获取困难，尤其

是难以重复取样的局限，液体活检有着不可替代的

优势。外泌体作为液体活检中的一个重要内容，有

着丰富的样本来源，内含物丰富且稳定，独特的纳

米尺寸也是其作为药物载体的优势，相信会在精准

医疗中发挥越来越多的作用。

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The potential application of exosomes in precision medicine

ZHANG Yafei，WANG Yu，WEI Liangjun，LIAO Xiangyong，WANG Cong

QIAGEN（Suzhou）Translational Medicine Co., Ltd., Suzhou 215123, China

Abstract：Exosomes are nano-sized vesicles secreted by cells with lipid bilayer membrane, which carry a variety of biologically active contents such as nucleic acids and proteins. Exosomes not only mediate signal transduction and infermation exchanges between cells, but also are involved in the physiological processes of various diseases. Tumor-derived exosomes participate in the regulation of many processes such as tumor development and metastasis, angiogenesis and immune escape, which can be used as early diagnosis and prognosis of tumors with great potential clinical value. This article describes the characteristics，applications and prospects of exosomes in terms of sources, contents and extensive experiences of QIAGEN（Suzhou）on exosome studies. The progress and potential of exosomes in tumor development，metastasis and invasion, as well as the precise diagnosis and personized medicine as one of main contents of liquid biopsy is also reviewed.Key words：liquid biopsy; exosomes; biomarkers; clinical application; precision medicine

外泌体在精准医疗中的应用潜力 · 专 题 外泌体在精准医疗中的应用潜力 2018. 02（3月） 生物产业技术 67...

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