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者所無法預料的。

(資料圖)

1983年，加拿大魁北克省蒙特利爾，麥吉爾大學生物化學系教授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”——一種有膜結構的小囊泡，可將一個細胞成熟過程中不必要的蛋白質攜帶至另一個細胞。

四年后，外泌體才在生物學領域有了自己的姓名，發(fā)現者Johnstone教授為其命名為“exosomes”。

歷經多年探索，2013年諾貝爾醫(yī)學獎頒發(fā)給了三位科學家，以表彰他們發(fā)現細胞內的主要運輸系統——囊泡（外泌體等）運輸的調節(jié)機制。外泌體一朝成名天下知，也將相關學術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，相關生物科技公司競相成立。

“5年前后，卻好像是兩個世界?！惫こ袒饷隗w研究和治療轉化公司恩澤康泰聯合創(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，外泌體在國內產業(yè)端還鮮有人知，無人問津。而現在，尋求合作的電話一天響個數十次，舉辦的“外泌體大講堂”場場爆滿。

外泌體的風肉眼可見地刮起來了。學者在關注、投資人在關注、企業(yè)均在關注，美國國家生物醫(yī)學圖書館PubMed已收錄相關文章22235篇，一級市場融資不斷。有關外泌體載藥、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，儼然是學術明星。羅氏制藥、禮來、武田制藥更是紛紛豪擲數億美元，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Grand View Research預測，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控?！鼻迦A大學藥學院教授、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的生物大分子，甚至還能包載腺相關病毒（AAV）等。

從形成來看，外泌體是細胞經過“內吞—融合—外排”等一系列調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，內含豐富的DNA和RNA、脂質、代謝產物、胞質蛋白等。外泌體幾乎是所有活細胞分泌的天然納米級囊泡，得天獨厚的膜結構使它們成為細胞中的“閃送員”，可將RNA、蛋白質和其它分子從宿主細胞轉運到受體細胞。

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應用較為廣泛，但免疫原性高，不能重復給藥。合成脂質納米顆粒（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。盡管設計已有所改進，LNP遞送系統大多靶向肝臟，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。英國牛津大學醫(yī)學科學部副主任馬修·伍德教授研究團隊發(fā)現：靜脈注射神經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，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，有望實現非肝靶向，更精準遞送至“目標地”；其四它同時具備內源和外源改造的潛力，可以實現更豐富的功能。

依據藥物負載在外泌體的前后順序，可以分為內源性載藥與外源性載藥。內源性載藥是在親本細胞產生外泌體之前，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，其異質性、復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

外泌體性質的差異，造就了應用功能的參差。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生外泌體。不同來源的外泌體繼承生物分子不同，產量、含量、功能也存在一些差異，種種特質構成了外泌體的復雜異質性。“外泌體可以是高度異質的群體，并且具有誘導復雜生物反應的獨特能力?！泵绹鳰D安德森癌癥中心癌生物學系主任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受體細胞中誘導突變來啟動細胞轉化；乳腺癌和前列腺癌細胞的外泌體通過轉移其miRNA物質誘導腫瘤形成……簡而言之，不同癌種衍生的外泌體物質，如核酸、信號蛋白和代謝物，可以對細胞產生促腫瘤作用。

除了誘導腫瘤形成，來自癌細胞的外泌體還在轉移部位引發(fā)實質信號反應、有效重塑遠處微環(huán)境以增強癌細胞轉移。此外，癌細胞脫落的外泌體會促進機體對各種化學治療劑和抗體產生耐藥性，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？一項聰明的結論是——因勢利導，利用外泌體與癌癥的標志性特征，實現癌癥診斷。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后潛力。

“如果我們能夠了解外泌體里包含的物質，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者與企業(yè)布局外泌體液體活檢的熱情，相關論文與產品陸續(xù)問世。

“外泌體標志物所代表的生物學意義，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，能夠實時動態(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功能的。外泌體能夠促進遠端預轉移龕的形成，從而有利于CTC的定殖和轉移灶的形成，因此外泌體的生物學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，結構穩(wěn)定的特點，在液體活檢領域異軍突起，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，外泌體雖然內含物種類很豐富，但是異質性較高，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)異的診斷產品也面臨不小的技術挑戰(zhàn)。

他表示，經過幾年的摸爬滾打，外泌體行業(yè)正逐漸分化成3個應用方向：分別是外泌體液體活檢、工程改造外泌體的臨床應用（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用。雖然這三個方向各自的技術路徑已經初具雛形，但是面臨的技術挑戰(zhàn)依舊艱巨。

03生物領域的下一個“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。產業(yè)界早已按捺不住，強勢沖入這一神秘領域掘金。

據探針資本統計，全球目前共有近50家開展外泌體相關研究的企業(yè)。其中，近1/3專注于外泌體診斷相關業(yè)務，超過2/3主要開展外泌體藥物相關的研究。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?。?%）、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類適應證及應用場景。

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

2015年，是外泌體產業(yè)化的一個關鍵節(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，學術界疾病診斷與精準治療領域的基礎研究井噴。在以技術為主導的產業(yè)化萌芽期，各學術大牛紛紛入局。

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

Exovita Biosciences公司在無數期待的目光中成立，并被冠以“全美10家最激動人心技術單位”的美譽。美國國立衛(wèi)生研究、美國癌癥協會、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。

英國牛津大學醫(yī)學科學部副主任馬修·伍德教授雖晚了一步，于次年聯合成立了Evox Therapeutics公司，但頗得谷歌風投與大藥企青眼相加。Evox Therapeutics一是開發(fā)了技術平臺，把外泌體天然的運輸系統設計成“送藥系統”，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品——ExoDX Lung (ALK)。該產品基于外泌體檢測技術，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。”李志指出，公司從成立之初就專注于外泌體的轉化技術，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，摩拳擦掌在這領域分一杯羹。

如果說2015年眾多公司的成立，奏響了外泌體產業(yè)化的前奏曲，那2020年則轉換為激情的交響樂。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8.82億美元的聯合開發(fā)協議。

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年后外泌體治療領域的輝煌時刻。”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

本文由億歐健談授權億歐發(fā)布，申請文章授權請聯系原出處。

關鍵詞： 基因療法 腫瘤形成 生物大分子