世界熱消息：從細胞垃圾到行業(yè)新貴，外泌體何以逆襲？

從發(fā)現(xiàn)即被視為細胞垃圾的外泌體，迎來了人生的高光時刻，這是幾十年前科研學(xué)者所無法預(yù)料的。

(資料圖)

1983年，加拿大魁北克省蒙特利爾，麥吉爾大學(xué)生物化學(xué)系教授Rose M. Johnstone研究小組在體外培養(yǎng)的綿羊紅細胞上清中發(fā)現(xiàn)外泌體。這是人類與外泌體的初相識，但僅被定義為細胞代謝的“垃圾”——一種有膜結(jié)構(gòu)的小囊泡，可將一個細胞成熟過程中不必要的蛋白質(zhì)攜帶至另一個細胞。

四年后，外泌體才在生物學(xué)領(lǐng)域有了自己的姓名，發(fā)現(xiàn)者Johnstone教授為其命名為“exosomes”。

歷經(jīng)多年探索，2013年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎頒發(fā)給了三位科學(xué)家，以表彰他們發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)的主要運輸系統(tǒng)——囊泡（外泌體等）運輸?shù)恼{(diào)節(jié)機制。外泌體一朝成名天下知，也將相關(guān)學(xué)術(shù)研究推向前所未有的高潮。

2015年，外泌體讓癌中之王胰腺癌露出蛛絲馬跡震驚業(yè)界，相關(guān)生物科技公司競相成立。

“5年前后，卻好像是兩個世界。”工程化外泌體研究和治療轉(zhuǎn)化公司恩澤康泰聯(lián)合創(chuàng)始人李志向億歐大健康如此描述。2017年，恩澤康泰剛成立時，外泌體在國內(nèi)產(chǎn)業(yè)端還鮮有人知，無人問津。而現(xiàn)在，尋求合作的電話一天響個數(shù)十次，舉辦的“外泌體大講堂”場場爆滿。

外泌體的風(fēng)肉眼可見地刮起來了。學(xué)者在關(guān)注、投資人在關(guān)注、企業(yè)均在關(guān)注，美國國家生物醫(yī)學(xué)圖書館PubMed已收錄相關(guān)文章22235篇，一級市場融資不斷。有關(guān)外泌體載藥、診斷、免疫療法等文章陸續(xù)登頂Science、Nature、Cell、JEV等各大頂級期刊，儼然是學(xué)術(shù)明星。羅氏制藥、禮來、武田制藥更是紛紛豪擲數(shù)億美元，奪得外泌體的入場券。

在“出生即最低點”的逆襲模式中，外泌體的功能不斷被拓展，撬起了更廣闊的商業(yè)化想象力。據(jù)Grand View Research預(yù)測，全球外泌體整體市場規(guī)模在2030年將達22.8億美元。在這個十億美元的領(lǐng)域中，希望與困難并存，仍有諸多療法有待驗證，難題待解。

01開啟藥物遞送新方式

“外泌體好像細胞間的‘閃送’，其廣泛存在于我們的體液中用來傳遞細胞間信息，也極有潛力進行藥物調(diào)控?！鼻迦A大學(xué)藥學(xué)院教授、副院長尹航在直播中一言道出外泌體的價值。

眼下，其最令業(yè)界動心的功能莫過于藥物遞送。恩澤康泰CTO趙立波博士向億歐大健康指出，可以將外泌體理解為一個廣譜型的藥物載體，適用范圍囊括了小分子，包括蛋白與核酸在內(nèi)的生物大分子，甚至還能包載腺相關(guān)病毒（AAV）等。

從形成來看，外泌體是細胞經(jīng)過“內(nèi)吞—融合—外排”等一系列調(diào)控過程而形成的直徑在40—160nm之間的細胞外囊泡。它由完整的磷脂雙分子層所包裹，內(nèi)含豐富的DNA和RNA、脂質(zhì)、代謝產(chǎn)物、胞質(zhì)蛋白等。外泌體幾乎是所有活細胞分泌的天然納米級囊泡，得天獨厚的膜結(jié)構(gòu)使它們成為細胞中的“閃送員”，可將RNA、蛋白質(zhì)和其它分子從宿主細胞轉(zhuǎn)運到受體細胞。

外泌體的組成，圖源：Science

這恰恰能破解基因療法長期以來的遞送難題。遞送載體作為基因療法的關(guān)鍵，主要分為病毒載體和非病毒載體兩大類。病毒載體中，AAV應(yīng)用較為廣泛，但免疫原性高，不能重復(fù)給藥。合成脂質(zhì)納米顆粒（LNP）一直是基因療法的主要遞送裝置，不過它們會在人體中引起毒性免疫反應(yīng)。盡管設(shè)計已有所改進，LNP遞送系統(tǒng)大多靶向肝臟，肝臟以外器官的有效遞送問題亟待解決。此外在穩(wěn)定性、遞送效率、靶向性方面，仍有許多提升空間。外泌體則巧妙攻克了以上諸多難題。

2011年《Nature Biotechnology》上的一篇文章，讓人們意識到外泌體穿越血腦屏障的能力。英國牛津大學(xué)醫(yī)學(xué)科學(xué)部副主任馬修·伍德教授研究團隊發(fā)現(xiàn)：靜脈注射神經(jīng)元歸巢肽標記的外泌體能夠穿越小鼠血腦屏障，并遞送足夠的siRNA來顯著降低BACE（阿爾茨海默癥的一個潛在靶點）的表達。

“有了外泌體，我們就有可能將任何藥物輸送到各種各樣的組織中，因此選擇的范圍相當廣泛。不過這同時對于挑選靶向哪種疾病又是一種挑戰(zhàn)?！睂Ｗ⒂谕饷隗w遞送的英國公司Evox Therapeutics首席執(zhí)行官Antoninde Fougerolles此前介紹道。他指出，外泌體可以高效、安全地在細胞間交換RNA和各種蛋白質(zhì)，這是其基本優(yōu)勢。

趙立波博士分析到，之所以使用外泌體載藥，基于其四方面優(yōu)勢：首先其是天然馴化的生物大分子載體，在體液中廣泛存在，因此免疫源性低，安全性高；其二它能夠循環(huán)至人體所有腔室，跨越血腦屏障；其三外泌體具有一定的組織選擇性，有望實現(xiàn)非肝靶向，更精準遞送至“目標地”；其四它同時具備內(nèi)源和外源改造的潛力，可以實現(xiàn)更豐富的功能。

依據(jù)藥物負載在外泌體的前后順序，可以分為內(nèi)源性載藥與外源性載藥。內(nèi)源性載藥是在親本細胞產(chǎn)生外泌體之前，把藥物整合到細胞，讓細胞成為載藥外泌體的“活工廠”，分離純化得到載藥外泌體；外源性載藥是分離純化天然外泌體之后，通過多種裝載方式將藥物導(dǎo)入外泌體之中，不同裝載方式適用藥物類型有所不同。

不同外源性轉(zhuǎn)載方式對比

基于高生物相容性、低免疫原性、容易穿透生物屏障的能力和無毒積累等優(yōu)勢，外泌體成為藥物遞送的“天選之子”。許多學(xué)者及企業(yè)正在利用外泌體解決一系列療法的藥物遞送問題：小分子、RNA 療法、基因療法，甚至CRISPR基因編輯工具。他們通過分離、加載和修飾外泌體，盡可能讓其成為一個“黃金工具”。

但是，外泌體距離成為“理想的載體”，還有一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)（藥物載量如何做到更高、如何延長在活體中的循環(huán)時間等）有待克服。在硬幣的另一面，其異質(zhì)性、復(fù)雜性也深深困擾著從業(yè)人員，他們難以窺得外泌體真實全貌，對其具體合成機制、功能了解仍有待加強。

02成為液體活檢新秀

外泌體性質(zhì)的差異，造就了應(yīng)用功能的參差。癌細胞外泌體攜帶的大量腫瘤標志物，掀起了液體活檢的熱潮。

事實上，幾乎所有細胞都能產(chǎn)生外泌體。不同來源的外泌體繼承生物分子不同，產(chǎn)量、含量、功能也存在一些差異，種種特質(zhì)構(gòu)成了外泌體的復(fù)雜異質(zhì)性?！巴饷隗w可以是高度異質(zhì)的群體，并且具有誘導(dǎo)復(fù)雜生物反應(yīng)的獨特能力?！泵绹鳰D安德森癌癥中心癌生物學(xué)系主任Raghu Kallur教授曾在《Science》雜志的一篇綜述如此指出。

在Raghu Kallur教授的研究中，外泌體可以誘導(dǎo)或促進腫瘤形成。胰腺癌細胞的外泌體通過在NIH/3T3受體細胞中誘導(dǎo)突變來啟動細胞轉(zhuǎn)化；乳腺癌和前列腺癌細胞的外泌體通過轉(zhuǎn)移其miRNA物質(zhì)誘導(dǎo)腫瘤形成……簡而言之，不同癌種衍生的外泌體物質(zhì)，如核酸、信號蛋白和代謝物，可以對細胞產(chǎn)生促腫瘤作用。

除了誘導(dǎo)腫瘤形成，來自癌細胞的外泌體還在轉(zhuǎn)移部位引發(fā)實質(zhì)信號反應(yīng)、有效重塑遠處微環(huán)境以增強癌細胞轉(zhuǎn)移。此外，癌細胞脫落的外泌體會促進機體對各種化學(xué)治療劑和抗體產(chǎn)生耐藥性，從而降低治療功效。

癌細胞外泌體因此臭名昭著，如何把他們化敵為友？一項聰明的結(jié)論是——因勢利導(dǎo)，利用外泌體與癌癥的標志性特征，實現(xiàn)癌癥診斷。借助于外泌體中的致癌和腫瘤抑制miRNA，可以增強癌癥早期診斷的準確性。外泌體攜帶著癌細胞的“身份信息”，通過觀察外泌體中的特定miRNA或miRNA組狀態(tài)及差異化表達，可在癌癥檢測中提供診斷或預(yù)后潛力。

“如果我們能夠了解外泌體里包含的物質(zhì)，也許就能讓我們對人體疾病的狀態(tài)有所了解，提高診斷方面的潛力。”Raghu Kalluri教授在接受采訪時說道。

2015年，一項震驚業(yè)界的研究將外泌體與液體活檢雙雙推入聚光燈下。Raghu Kallur教授在《Nature》上刊文稱，胰腺癌癌細胞外泌體中包含的GPC1蛋白可以作為一種非侵入性診斷和篩查處于適合手術(shù)治療階段的早期胰腺癌。最重要的是，它可以將慢性胰腺炎與早期或晚期胰腺癌區(qū)分開來，對胰腺癌診斷100%的效能深深吸引了全行業(yè)的目光。

這項傳奇論文也點燃了學(xué)者與企業(yè)布局外泌體液體活檢的熱情，相關(guān)論文與產(chǎn)品陸續(xù)問世。

“外泌體標志物所代表的生物學(xué)意義，也可能比我們想象的更豐富?！壁w立波博士剖析到，因為外泌體攜帶了大量來自于親本細胞的生物大分子，能夠?qū)崟r動態(tài)地反映親本細胞的生理和病理狀態(tài)，所以跟ctDNA（循環(huán)腫瘤DNA）、和CTC（循環(huán)腫瘤細胞）一起并稱為液體活檢的“三駕馬車”。

相比而言ctDNA更像是腫瘤基因組的一張“快照”，可以反映當前腫瘤基因組的特征，但目前業(yè)界更傾向于認為ctDNA自身是不具備生物學(xué)功能的。外泌體能夠促進遠端預(yù)轉(zhuǎn)移龕的形成，從而有利于CTC的定殖和轉(zhuǎn)移灶的形成，因此外泌體的生物學(xué)意義或者說其攜帶的信息可能更加豐富。

作為極有前景的腫瘤標志物，外泌體以其分布廣泛，含量高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點，在液體活檢領(lǐng)域異軍突起，成為極具前景的“潛力新秀”。不過，缺點亦同時存在。在趙立波看來，外泌體雖然內(nèi)含物種類很豐富，但是異質(zhì)性較高，而且特定某一種蛋白或者核酸分子的平均含量很低，因此要開發(fā)出性能優(yōu)異的診斷產(chǎn)品也面臨不小的技術(shù)挑戰(zhàn)。

他表示，經(jīng)過幾年的摸爬滾打，外泌體行業(yè)正逐漸分化成3個應(yīng)用方向：分別是外泌體液體活檢、工程改造外泌體的臨床應(yīng)用（包含藥物遞送）以及（以干細胞外泌體為主的）天然外泌體的臨床應(yīng)用。雖然這三個方向各自的技術(shù)路徑已經(jīng)初具雛形，但是面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)依舊艱巨。

03生物領(lǐng)域的下一個“炸子雞”

一邊是潛力無限的治療前景，一邊是仍披著面紗的外泌體。產(chǎn)業(yè)界早已按捺不住，強勢沖入這一神秘領(lǐng)域掘金。

據(jù)探針資本統(tǒng)計，全球目前共有近50家開展外泌體相關(guān)研究的企業(yè)。其中，近1/3專注于外泌體診斷相關(guān)業(yè)務(wù)，超過2/3主要開展外泌體藥物相關(guān)的研究。而在藥物研究中，企業(yè)主要集中布局在腫瘤（30%）、腦部疾?。?6%）、肺部疾?。?%）、皮膚病（5%）、疫苗開發(fā)（13%）、醫(yī)美修護（8%）、肝臟疾?。?%）、腎部疾?。?%）以及基因治療/罕見?。?3%）等9類適應(yīng)證及應(yīng)用場景。

縱覽外泌體的發(fā)展脈絡(luò)，2015年與2020年對其產(chǎn)業(yè)化意義重大。

2015年，是外泌體產(chǎn)業(yè)化的一個關(guān)鍵節(jié)點。彼時，“精準外泌體”概念提出，兼之諾獎催生的研發(fā)熱潮，學(xué)術(shù)界疾病診斷與精準治療領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究井噴。在以技術(shù)為主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)化萌芽期，各學(xué)術(shù)大牛紛紛入局。

在風(fēng)險投資機構(gòu)ARCH Venture Partner與Flagship Pioneering的推動下，Raghu Kallur教授作為聯(lián)合創(chuàng)始人成立了CodiakBiosciences公司，開發(fā)胰腺癌早診和治療產(chǎn)品。

Exovita Biosciences公司在無數(shù)期待的目光中成立，并被冠以“全美10家最激動人心技術(shù)單位”的美譽。美國國立衛(wèi)生研究、美國癌癥協(xié)會、國立癌癥研究中心出資220萬美元送其出道，專注于乳腺癌的治療。

英國牛津大學(xué)醫(yī)學(xué)科學(xué)部副主任馬修·伍德教授雖晚了一步，于次年聯(lián)合成立了Evox Therapeutics公司，但頗得谷歌風(fēng)投與大藥企青眼相加。Evox Therapeutics一是開發(fā)了技術(shù)平臺，把外泌體天然的運輸系統(tǒng)設(shè)計成“送藥系統(tǒng)”，將多種藥物運送到以往無法進入的人體組織中去；二是開發(fā)罕見病藥物研發(fā)管線。

2016年，美國Exosome Diagnostics推出全球首款癌癥診斷產(chǎn)品——ExoDX Lung (ALK)。該產(chǎn)品基于外泌體檢測技術(shù)，可同時檢測外泌體RNA和ctDNA，對非小細胞肺癌患者的EML4-ALK融合基因突變進行實時篩查……

外泌體市場在國外已呈現(xiàn)百花齊放態(tài)勢，浪潮不期而至。首屆商業(yè)外泌體治療會議2019年在美國波士頓召開，就已有15家公司參加。反觀中國，市場也早已暗流涌動。

“我們看好外泌體這個賽道，所以在2017年成立恩澤康泰?！崩钪局赋觯緩某闪⒅蹙蛯Ｗ⒂谕饷隗w的轉(zhuǎn)化技術(shù)，其中外泌體治療事業(yè)部專注于外泌體創(chuàng)新藥的研發(fā)。碳碼科技、泌碼科技、貝格爾生物、微納核酸生物、億微生物等公司也在近幾年陸續(xù)成立，摩拳擦掌在這領(lǐng)域分一杯羹。

如果說2015年眾多公司的成立，奏響了外泌體產(chǎn)業(yè)化的前奏曲，那2020年則轉(zhuǎn)換為激情的交響樂。這一年，Codiak兩款新藥進入Ⅰ期臨床，與Jazz Pharmaceuticals、Sarepta Therapeutics分別達成5600萬美元、7250萬美元的合作，打開了創(chuàng)新藥開發(fā)的大門。

諸多利好下，Codiak于2020年10月成功登陸納斯達克，市值超2億美元，登上外泌體第一股的寶座。大藥企也爭相恐后搶奪標的，同是這一年，Evox Therapeutics分別與禮來、武田達成了12億美元和8.82億美元的聯(lián)合開發(fā)協(xié)議。

涌入的巨額資金已然讓各大企業(yè)紅了眼，但這遠未到外泌體行業(yè)的輝煌時刻。在李志看來，外泌體行業(yè)與基因治療行業(yè)極其相似，只不過兩者差距10年左右。2012年首款基因治療藥物上市，如今已改變生物醫(yī)藥格局，成為當紅炸子雞。

“我們可以想象10年后外泌體治療領(lǐng)域的輝煌時刻?！?/strong>在被問及前景時，他暢想道。但眼下，外泌體藥物沒有參考也沒有標準，企業(yè)們只能摸著石頭過河，一步一個腳印往前走。

參考資料：

[1] Zhu, Q; Ling, X; Yang, Y; et al.Embryonic Stem Cells-Derived Exosomes Endowed with Targeting Properties as Chemotherapeutics Delivery Vehicles for Glioblastoma Therapy.[J].Adv Sci (Weinh).2019,6(6):180189

[2] Meet the exosome, the rising star in drug delivery

[3] An Interview with University of Oxford Professor Matthew Wood

[4] Biotech companies leading the way with exosome human clinical trials

[5] Zhang Y, Bi J, Huang J, Tang Y, Du S, Li P. Exosome: A Review of Its Classification, Isolation Techniques, Storage, Diagnostic and Targeted Therapy Applications. Int J Nanomedicine. 2020;15:6917-6934. Published 2020 Sep 22. doi:10.2147/IJN.S264498

[6] Exosome cancer diagnostic reaches market.Nat Biotechnol. 2016 Apr;34(4):359-60. doi: 10.1038/nbt0416-359

[7] 探針資本_行業(yè)研究：外泌體

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