药物输送系统：外泌体 & 脂质体

外泌体是广泛分布在组织中的天然纳米颗粒，可以由所有已知的细胞产生。外泌体是包裹在脂质双层膜中的纳米级细胞外囊泡，由大多数真核细胞分泌，具有的特性——固有的稳定性、低免疫原性、生物相容性和良好的生物膜穿透能力——使其能够作为高效的天然纳米载体。越来越多的研究表明，外泌体可以调节多种生物学功能，是临床诊断中生物标志物的重要来源。

1. 外泌体的介绍

外泌体是细胞内多泡体（MVB）与细胞膜融合后释放到细胞外基质中的膜性囊泡，可以运输丰富的蛋白质、脂质、DNA、RNA等物质。在自然界中，外泌体保护和传递功能性大分子，包括核酸、蛋白质、脂质和碳水化合物。外泌体通过将大分子转移到受体细胞或激活信号通路来改变受体细胞的行为。如转录与翻译、组织修复、免疫平衡、细胞分化与再生、细胞凋亡、细胞迁移、代谢调控、微生物环境等，这些远远不能涵盖近年来学术界广泛的研究工作。 

外泌体堪称“正邪兼备”的“多面手”，疾病的发生发展离不开它，免疫功能也离不开它，疾病诊断有时需要它，也可以用来制造疫苗。更多“坏”和“好”外泌体仍在被发现，更多外泌体的作用也在不断探索。最近的研究表明外泌体作为无细胞疗法的潜在用途，这可能为解决临床难题提供新策略。

越来越多的研究表明，外泌体在细胞间的长距离通讯中发挥着至关重要的作用，因为它们可以通过循环系统到达其他细胞和组织，产生远程调节。因此，人们对外泌体的功能及其作为小分子治疗载体的潜在应用产生了极大的兴趣。本文讨论了外泌体作为“天然纳米颗粒”用于递送药物和基因的潜力，并比较了其与脂质体的优缺点。

图1 通过外泌体进行细胞间通讯

2. 外泌体作为载体的优势和潜力

为了实现药物或基因递送，重要的是要考虑所使用的载体类型。外泌体载体结合了细胞药物递送和纳米技术的优点，可实现高效药物递送。与细胞疗法相比，外泌体更容易储存，可以降低安全风险。外泌体可以从患者体液或细胞培养物中分离出来，进行修饰并转移回同一患者体内。

人们对外泌体作为药物载体的期待源于外泌体的结构。其结构简单，外部是由磷脂双层组成的膜，膜内分布有丰富的蛋白质，内部是空腔，可负载大分子、小分子和核酸。空腔是我们可以用来 输送药物的空间。外部蛋白质的存在是非常有价值的。一方面，它可以提供低免疫原性和可重复给药的巨大潜力。另一方面，这些蛋白质可用于表面修饰、负载大分子和改善靶向性。

图2 外泌体结构

外泌体的医学潜力主要包括三大方向（图3）：

A.外泌体在诊断预防中的潜力：从病例微环境中提取的外泌体可用作诊断特定疾病和损伤的生物标志物。

B. 外泌体的医疗潜力：外泌体由多种细胞产生，并以多种方式与靶细胞相互作用，产生医疗作用。

C.外泌体的药物递送潜力：外泌体可用于递送多种药物，如RNA、蛋白质和小分子。
 

 

图3 外泌体的潜在应用

3. 外泌体的摄取和潜在靶向

外泌体起源于晚期内吞作用，可以扩散到细胞间液中。外泌体可以通过与靶细胞快速融合或受体介导的内吞作用来运输物质。到达特定受体细胞后，外泌体表面分子与膜受体结合，包括细胞间粘附分子、淋巴细胞功能相关抗原 1 和 TIM1 (TIM4)。最后，外泌体的内容物被释放到细胞质中，引起受体细胞的细胞内区室的变化。分泌的外泌体可能通过三种潜在机制被靶细胞吸收（图 4）。

A. 通过细胞膜的简单融合。

B.内吞作用。

C. 通过特定表面配体激活靶细胞。外泌体中的一些蛋白质成分可能有助于保护层和稳定囊泡结构的形成，并可能携带靶向信息。

图4 靶细胞摄取外泌体的机制
（来源：参考文献[2]）

4. 脂质体和外泌体给药的比较

将治疗剂输送到作用部位的主要挑战是脱靶毒性、快速清除以及靶组织、细胞或细胞器中的低积累和生物利用度。为了克服这些挑战，过去几十年来开发了多种合成递送载体（脂质体、脂质纳米颗粒、聚合物胶束、无机纳米颗粒、树枝状聚合物等），其中一些已获得临床批准。在所有可用的纳米颗粒图谱中，迄今为止市场上最成功且经临床批准的载体是脂质体。由于脂质体和外泌体之间的相似性，接下来将比较两者的理化性质和药物递送能力。  

A.脂质体：将脂质药物负载到双层膜中；可以掺入配体以增加组织靶向特异性；亲水性药物可以负载在脂质体的腔内。 Onpattro 是美国食品和药物管理局 (FDA) 批准的第一个装载 siRNA 的脂质纳米颗粒，由可电离脂质、胆固醇、聚乙二醇化脂质和辅助脂质组成。

B.外泌体：可以将蛋白质、亲水性药物和核酸（miRNA、siRNA、mRNA等）装载到囊泡的腔内，同时可以将靶向配体、膜蛋白和亲脂性药物掺入膜中。

图5 脂质体和外泌体

物理特性、生产和质量控制

脂质体在结构上与外泌体相似，因为它们由脂质双层组成。类似地，外泌体可以在脂膜双层内携带疏水性药物，在水性核心内携带亲水性药物。此外，临床批准的脂质体大小约为 100 nm，与外泌体类似。此外，脂质体的大小允许静脉内给药并在细胞摄取后外渗到身体的某些部位。

尽管脂质体和细胞外囊泡 (EV)有相似之处，但它们作为药物递送载体之间存在许多差异。与外泌体相比，临床使用的脂质体由有限数量的脂质组成，但不含蛋白质和遗传物质等细胞成分，因此在药物质量控制和大规模生产过程中相对容易处理。

然而，外泌体富含鞘磷脂、胆固醇和溶血磷脂，因此外泌体可以实现比在脂质体中混合单个成分更高程度的复杂性。此外，由于膜和核心中存在生物分子，外泌体中可能存在额外的结合袋用于载药。这对制造和质量控制提出了更高的要求，而迄今为止，外泌体的规模化在生产和收获方面都具挑战性。

外泌体和脂质体的体内给药

纳米颗粒（外泌体和脂质体）被单核吞噬细胞系统（MPS）快速清除。脂质体代表可生物降解和生物相容性 DDS，具有非常通用的高通量制备和药物封装效率，允许冻干和表面修饰。为了降低免疫原性并避免脂质体快速被血液清除，广泛使用聚乙二醇（PEG）表面涂层，从而允许在靶组织中积累更多物质。用 PEG 或 PEG 缀合的靶向配体修饰外泌体已被提议作为增强外泌体药物递送能力的有前途的策略。另一个有趣的策略是选择含有特定表面蛋白（例如 CD47）的外泌体子集。这种蛋白质在外泌体中充当“不要吃我”的信号，可能使它们能够绕过 MPS 并表现出更长的循环时间。

生物分布

市场上所有获批的脂质体药物均依赖于被动靶向，只有一小部分主动靶向药物已进入临床阶段。这是因为，即使当表面配体用于靶向靶细胞上的特定受体时，脂质体的积累仍然被认为是由称为增强渗透性和保留（EPR）效应的被动外渗过程决定的。通过EPR效应，循环时间较长的脂质体容易在肿瘤或受损心肌中积聚。

药代动力学和药效学（PK/PD）

PK/PD作为基于药物生理药理作用的模拟系统，可以为药物的治疗效果提供有价值的信息。与游离形式相比，药物封装在脂质体中可防止快速清除并显着改变药物的 PK 特性。由于表面 CD47 的存在，与脂质体相比，外泌体可能具有降低 MPS 介导的清除率的潜力，但还需要更多证据。由于大规模外泌体生产的挑战和内源性外泌体的存在，关于外泌体的 PK/PD 特性的信息很少。全面了解外泌体作为 DDS 的 PK/PD 特性对于外泌体进入临床至关重要。

外泌体作为载体的挑战

探索外泌体临床应用的一个关键问题是，对于获得高产量纯外泌体的最佳方法缺乏共识。这主要是由于哺乳动物细胞释放的外泌体数量相对较少。此外，外泌体的纯化很麻烦。有多种方法可从细胞培养上清液或生物液体（如牛奶、尿液、血浆、羊水、唾液和脑脊液）中分离外泌体（见表 1）。这些方法各有优点和缺点。

要获得高产率的纯外泌体，首要途径是扩大外泌体的来源。除此之外，人们还努力将细胞和纳米载体的特性结合起来。此外，能够在不破坏外泌体的情况下增强各种货物的装载能力和靶向能力也非常重要。因此，许多研究人员致力于开发合适的方法来修饰外泌体以负载药物或基因。

结论

近年来，外泌体在生物医学领域受到广泛关注，其易于负载多个分子、具有靶向性、工程化潜力、免疫原性低、适合重复给药等。外泌体作为新的研究热点，已成为疾病诊断和治疗的潜在有效方法，前景广阔。当然，外泌体有其自身的一些局限性。现阶段外泌体的研究并不丰富，因此生产率较低，这也是该领域需要改进的方向。尽管如此，使用外泌体作为药物或基因递送载体仍处于起步阶段。我们相信，随着外泌体研究的深入，外泌体疗法最终可能会导致药物或基因递送领域的重大突破。

Polyethylene glycol（PEG）因其“隐形”特性和生物相容性而被广泛应用于药物输送和纳米技术。BiopharmaPEG一直专注于纳米载体系统（包括各类纳米颗粒、脂质体、胶束等）全系列医疗应用和技术的开发，在该领域积累了大量的数据模型和丰富的研究经验。基因疫苗和蛋白药物纳米载体的构建和优化。