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。

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10.1146/annurev-physiol-021014-071641

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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: microRNA

5,000nM 。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）。