昔日代谢“垃圾”，有望变身送药“达人”

外泌体是一种由细胞产生的纳米级细胞外囊泡，可作为天然的药物载体，与目前广泛使用的纳米载体相比，其具有纳米级尺寸、可生物降解、无毒、内源性、免疫原性低、载货能力强、能够穿越血脑屏障等优点。


　　面对高死亡率且易复发的脑胶质瘤，化疗药该如何突破血脑屏障，直达病灶并精准地锁定肿瘤细胞？


　　近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所（以下简称中科院苏州纳米所）程国胜研究员团队设计开发了一种经过工程化改造的外泌体，可以装载化疗药物穿透血脑屏障，并可同时靶向作用于血脑屏障的内皮细胞表面和脑内胶质瘤细胞。


　　相关研究论文发表在《细胞外囊泡杂志》上。


　　近几年，外泌体领域的研究持续升温，是各大生物企业与投资方的“新宠”，尤其在工程化改造外泌体赛道上几乎是“一片蓝海”，而程国胜团队研发的新型工程化载药外泌体可提高针对肿瘤病灶区的靶向性，从而提高治疗药物在病灶区的浓度，以实现最佳的治疗效果，这为工程化改造外泌体治疗中枢神经系统疾病提供了新视角和新思路。


　　两种屏障阻碍化疗药物到达病灶


　　脑胶质瘤是指起源于脑神经胶质细胞的肿瘤，是最常见的原发性颅内肿瘤。我国脑胶质瘤年发病率为10万分之5至10万分之8，五年病死率在全身肿瘤中仅次于胰腺癌和肺癌，对人类生命健康造成巨大危害。


　　目前，脑胶质瘤治疗以手术切除为主，但由于肿瘤的高侵袭性、快速生长和增强的血管生成能力，脑胶质瘤无法通过常规手术切除干净，导致预后不良和生存时间短。


　　为了有效抑制肿瘤生长、延长患者的生存期，化学药物疗法（以下简称化疗）成为手术切除治疗后，治疗脑胶质瘤最主要的手段之一。然而，化疗药物想要直达脑胶质瘤细胞，却不得不面对两道天然的生物障碍，即血脑屏障和血脑肿瘤屏障。


　　“这两种屏障严重阻碍了化疗药物通过，特别是血脑屏障几乎阻碍了所有大分子和98%小分子药物进入脑肿瘤区域，极大削弱了化疗的效果。”团队成员、中国科学院苏州纳米所博士研究生朱展翅介绍。


　　另外，大多数传统抗癌药物本身具有很强的生物毒性，科学家需要解决的不仅仅是把化疗药物输送到病灶，还要降低其在运输过程中对人体的生物毒性，这些都是药物递送体系亟须解决的问题。


　　外泌体担当药物“快递员”潜力大


　　外泌体是一种由细胞产生的纳米级细胞外囊泡，尺寸在30—150纳米，富含来自亲本细胞的蛋白质、核酸和脂质等生物活性成分，在细胞间信号传递中发挥着重要作用。


　　然而，在20世纪80年代发现外泌体时，它被认为是细胞代谢的“垃圾”。随着人们对外泌体研究的不断深入，2013年诺贝尔生理学或医学奖授予在对囊泡运输的调节机制研究中作出贡献的3位科学家，此时外泌体受到前所未有的关注。


　　近些年，随着产业化和研究的推进，外泌体更是迎来巨大的“风口”。目前，对外泌体的应用探索主要在疾病的诊断与治疗两个方向上。其中，外泌体作为药物递送载体是大家最为关注的方向。


　　程国胜告诉科技日报记者，外泌体是几乎所有细胞都能分泌的纳米级细胞外囊泡，可以作为天然的药物载体，与目前广泛使用的纳米载体（如脂质体、高分子纳米载体等）相比，外泌体具有纳米级尺寸、可生物降解、无毒、内源性、免疫原性低、载货能力强、能够穿越血脑屏障等优点。


　　但是，外泌体也并非完美无缺，它在缺乏特异性修饰的情况下，缺少天然的靶向能力。同时，在静脉给药方式下，大部分外泌体由于无特异性靶向，会被肝脏“吃掉”，导致外泌体药物递送效果大打折扣。


　　因此，想要将外泌体作为药物载体应用于中枢神经系统疾病治疗，研究人员就必须为外泌体开发肿瘤特异性和组织器官特异性的靶向功能，来提高中枢神经系统疾病病灶区域的药物浓度，从而实现增效减毒。


　　距离正式“上岗”还有很长的路要走


　　程国胜介绍，他们针对外泌体自身具有的特性和治疗中枢神经系统疾病的需求，开发出具有Angiopep-2和TAT双重靶向功能化外泌体，并应用于脑胶质瘤治疗研究。


　　其中，Angiopep-2多肽可以特异靶向低密度脂蛋白受体（LRP-1）,而LRP-1在脑胶质瘤细胞和脑血管内皮细胞表面均具有高表达水平。另外，跨膜多肽TAT可以进一步提高外泌体血脑屏障的渗透性和肿瘤组织的穿透性。


　　研究团队分别利用体外单细胞培养、Transwell（一种膜滤器）构建的体外血脑屏障模型、体内小鼠皮下脑胶质瘤模型和原位脑胶质瘤模型，证实工程化外泌体可以高效渗透血脑屏障，并对脑胶质瘤病灶区具有优良的靶向递送能力。


　　此外，为了评估负载阿霉素的双重靶向功能化外泌体的功效，研究团队通过尾静脉给药方式对疾病模型小鼠注射负载阿霉素的双重靶向功能化外泌体，并进行21天的治疗与观察。


　　团队研究发现，双重靶向功能化外泌体能够提高药物治疗原位脑胶质瘤效率，显著抑制脑胶质瘤的生长，可有效延长小鼠的生存期。同时，双重靶向功能化外泌体可以有效降低药物治疗的毒副作用。


　　作为生物医药领域新兴的研究对象，外泌体的研究还存在着很多局限性，未来对外泌体的研究还有很长的路要走。


　　程国胜告诉记者，目前实验室主要采用超速离心方式分离纯化外泌体，但通过这种方式获得外泌体的产量和效率太低，如何通过细胞工程和筛选方式的改进来提高外泌体产量，是外泌体领域的重点研发方向。


　　同时，相对其他递送载体，外泌体的毒性作用很低，但不同细胞来源的外泌体差异性比较大，外泌体应用到疾病治疗中的安全性还需要更多前期工作的评估；外泌体来源于细胞，那么必将携带宿主细胞的各种物质，外泌体作为载体时，这些内含物是如何发挥作用的？或者说如何尽可能去除内含物的干扰也是外泌体作为载体工具面临的问题。


　　另外，肝脏作为人体新陈代谢最重要的器官，几乎所有的药物递送载体都会被运输到肝脏，这对外泌体应用于肝脏疾病的治疗非常有优势，但对于治疗其他组织或者器官来说，将不得不面对肝脏截留的难题，如何让外泌体从肝脏有效逃逸仍需要深入研究。