工程化外泌體助力藥物遞送和靶向治療

外泌體是細(xì)胞界的“快遞小哥”，是細(xì)胞間傳遞物資的能手。如今科學(xué)家改造外泌體，打造出“藥物專車”，能精準(zhǔn)送藥到指定細(xì)胞或組織，十分智能�？靵�(lái)跟著小 M 探索有前途的下一代靶向給藥系統(tǒng)！

外泌體是細(xì)胞分泌的納米級(jí)細(xì)胞外囊泡，近期成為頗具前景的藥物遞送載體。它有脂質(zhì)雙層膜，包裹蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸等生物活性物質(zhì)，具高生物相容性和低免疫原性，能降低免疫清除率、促進(jìn)靶向藥物運(yùn)輸。然而，天然外泌體臨床應(yīng)用受循環(huán)半衰期短、細(xì)胞來(lái)源變異性及載藥能力不足等因素限制。為此，研究人員借助生物工程技術(shù)研發(fā)工程外泌體，以增強(qiáng)藥物封裝和靶向性。通常，工程外泌體具有防止聚集、吸附和快速清除，維持更高藥物負(fù)載量和穩(wěn)定性，還能高效定制藥物遞送系統(tǒng)，已成為生物醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域熱門研究方向。 

生物工程技術(shù)可提升外泌體產(chǎn)生量、穩(wěn)定性與純度。經(jīng)親本細(xì)胞基因改造生成的工程外泌體，是有前景的藥物遞送載體。先從體液中分離外泌體，再設(shè)計(jì)使其表面攜帶特定貨物或表達(dá)配體。探究其潛在臨床用途前，需評(píng)估工程外泌體載藥能力 (圖 1)。此外，工程外泌體有藥物保護(hù)、增強(qiáng)穩(wěn)定性和生物利用度、降低毒性、提升靶向能力等優(yōu)勢(shì)^[2]。

圖 1. 用于治療應(yīng)用的外泌體工程化過(guò)程概述^[2]。

Section.01
外泌體包載藥物

工程化外泌體的藥物包載方法主要可分為兩種技術(shù)類型：內(nèi)源性包載和外源性包載。內(nèi)源性包載主要借助 CRISPR/Cas9 技術(shù)在細(xì)胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)藥物包載。外源性包載方法則涵蓋孵育、電穿孔、超聲處理、凍融循環(huán)，以及在外泌體分離后通過(guò)擠出方式包載藥物。 

內(nèi)源性包載藥物

該方法用基因工程技術(shù)轉(zhuǎn)染供體細(xì)胞，使其表達(dá)所需物質(zhì)，再?gòu)墓�體細(xì)胞培養(yǎng)上清液中分離含生物活性物質(zhì)的外泌體。以 CRISPR/Cas9 系統(tǒng)為例，它有治療癌癥前景，但臨床轉(zhuǎn)化受免疫原性等制約，而工程外泌體可克服此限制。外泌體與 CRISPR/Cas9 系統(tǒng)包裝后，能與癌細(xì)胞膜結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高效非侵入性基因編輯。一項(xiàng)研究顯示，負(fù)載 CRISPR/Cas9 的外泌體可誘導(dǎo)卵巢癌細(xì)胞凋亡，凸顯其精準(zhǔn)抗癌治療潛力。

此外，外泌體還被作為癌癥疫苗研究，相比傳統(tǒng)化療，有特異性高、可控且無(wú)毒等優(yōu)勢(shì)。最近研究表明，M1 極化巨噬細(xì)胞釋放的外泌體與癌癥疫苗聯(lián)合給藥，可增強(qiáng)小鼠模型的疫苗免疫原性和抗腫瘤免疫反應(yīng)，揭示了工程外泌體在開發(fā)優(yōu)化抗癌疫苗方面的治療潛力。

圖 2. 癌癥來(lái)源的外泌體作為 CRISPR/Cas9 的遞送平臺(tái)賦予癌細(xì)胞趨向性依賴性靶向^[3]。

外源性包載藥物

該方法先對(duì)外泌體進(jìn)行分離，隨后運(yùn)用各類技術(shù)在外部摻入藥物或生物活性物質(zhì)。相較于內(nèi)源性包載法，外源性包載法具備諸多優(yōu)點(diǎn)。它為大規(guī)模生產(chǎn)工程化外泌體提供了更簡(jiǎn)便的操作、更高的穩(wěn)定性以及更優(yōu)的可擴(kuò)展性。

常見(jiàn)的外源性包載藥物的方法有共孵育、電穿孔、超聲處理、凍融循環(huán)和擠出法。這些技術(shù)提供了一種通用且高效的方式，可將治療劑包載到外泌體中以實(shí)現(xiàn)靶向遞送。

圖 3. 內(nèi)源性和外源性包載藥物的方式^[2]。

Section.02
用于藥物遞送和靶向治療的
工程化外泌體

表面工程

表面工程旨在賦予細(xì)胞類型靶向特異性。其修飾策略涵蓋遺傳工程和化學(xué)修飾。借助生物融合表達(dá)，將靶向肽的基因序列與選定的外泌體膜蛋白的基因序列相融合，可有效在外泌體表面展示靶向肽。化學(xué)修飾則通過(guò)綴合反應(yīng)或脂質(zhì)組裝來(lái)展示各類天然和合成配體，不過(guò)外泌體表面的復(fù)雜性可能會(huì)降低反應(yīng)效率，甚至對(duì)載體的結(jié)構(gòu)和功能造成損害。目前，眾多研究采用生物融合表達(dá)的方法對(duì)外泌體表面蛋白進(jìn)行修飾。 

圖 4. 借助遺傳/生物操作或化學(xué)修飾對(duì)外泌體表面實(shí)施工程化改造^[5]。

遺傳工程和靶向基序展示

外泌體膜天然含有蛋白質(zhì)，如四跨蛋白、整合素和凝集素。這些蛋白質(zhì)可以通過(guò)與靶細(xì)胞受體的相互作用來(lái)影響外泌體生物分布。通過(guò)基因調(diào)節(jié)親本細(xì)胞以過(guò)表達(dá)或敲低特定蛋白質(zhì)，可以顯著增強(qiáng)工程外泌體的靶向能力。

細(xì)胞結(jié)合基序可以通過(guò)蛋白工程方法展示在外泌體表面，這些方法通常包括使用病毒靶向基序、細(xì)胞穿透肽和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)染域。值得注意的是，這些元素中的每一種在增強(qiáng)外泌體靶向和穿透細(xì)胞的能力方面都發(fā)揮著獨(dú)特的作用，這使得它們成為靶向藥物遞送和疾病治療領(lǐng)域中有價(jià)值的工具。

[1] Joorabloo A,et al. Engineering exosome-based biomimetic nanovehicles for wound healing. J Controlled Release. 2023;356:463–80.
[2] Chen Z, et al. Encapsulation and assessment of therapeutic cargo in engineered exosomes: a systematic review. J Nanobiotechnology. 2024 Jan 3;22(1):18.
[3] Kim SM, et al. Cancer-derived exosomes as a delivery platform of CRISPR/Cas9 confer cancer cell tropism-dependent targeting. J Controlled Release. 2017;266:8–16.
[4] Gunassekaran GR, et al. M1 macrophage exosomes engineered to foster M1 polarization and target the IL-4 receptor inhibit tumor growth by reprogramming tumor-associated macrophages into M1-like macrophages. Biomaterials. 2021;278: 121137.
[5] Liang Y, et al. Engineering exosomes for targeted drug delivery. Theranostics. 2021 Jan 1;11(7):3183-3195.