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什么是外泌體?

近年來,細(xì)胞外囊泡(EV)相關(guān)的研究正加速發(fā)展。2011年每年有約200篇相關(guān)論文發(fā)布,但2016年一年間有1000篇以上的相關(guān)論文發(fā)布,論文內(nèi)容涉及各種生理功能和病理癥狀等方面。EV大致可分為核內(nèi)體來源的外泌體和細(xì)胞質(zhì)膜來源的微囊泡,但即便是用提取純度最高的超速離心法也難以將二者完全分離,所以簡單地將10,000×g離心后上清中的EV稱為小EV(主要是外泌體)1)。外泌體是由各種細(xì)胞分泌的小型膜囊泡(直徑30~100nm),存在于大多數(shù)體液(如血液、尿液、髓液等)和細(xì)胞培養(yǎng)液中。外泌體是由脂質(zhì)雙層膜包被的膜囊泡,產(chǎn)生于稱為多囊泡體的細(xì)胞外囊泡中,多囊泡體通過與細(xì)胞膜融合將外泌體釋放到細(xì)胞外。外泌體含核內(nèi)體來源的蛋白質(zhì)(如ESCRTs)、細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸相關(guān)蛋白(如RabGTPase等)及細(xì)胞膜來源蛋白(如CD63, CD81等)等各種內(nèi)分泌細(xì)胞來源的蛋白和RNA,同時(shí)還含有分泌細(xì)胞膜來源和內(nèi)體膜來源的脂質(zhì)(如膽固醇和鞘磷脂等)2)。多年來,外泌體被認(rèn)為參與無用的細(xì)胞內(nèi)含物質(zhì)的釋放。但是近年來,外泌體在活體內(nèi)作為運(yùn)載脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、RNA等細(xì)胞間信息傳遞的新型媒介而倍受矚目。隨著其功能在生理及病理功能的闡明,外泌體在臨床應(yīng)用的相關(guān)研究中,特別是診斷治療、生物標(biāo)記的開發(fā)也迅速發(fā)展起來。

  現(xiàn)在,外泌體研究幾乎涉及所有的研究領(lǐng)域(免疫、神經(jīng)系統(tǒng)、癌癥、內(nèi)分泌、循環(huán)系統(tǒng)等)。例如,免疫細(xì)胞來源的外泌體含有抗原肽/MHC復(fù)合體和可能控制著免疫細(xì)胞間抗原信息的交換、免疫細(xì)胞活化/非活化等各種免疫應(yīng)答機(jī)制的各種抗原3)。外泌體在神經(jīng)系統(tǒng)中與神經(jīng)回路的控制相關(guān)4),同時(shí)各種神經(jīng)退行性疾病的致病蛋白還可以通過外泌體釋放到細(xì)胞外并傳遞到其他細(xì)胞,與病情發(fā)展密切相關(guān)5)。 癌細(xì)胞釋放的外泌體含有許多與血管新生和免疫逃逸相關(guān)的分子,構(gòu)建適合癌細(xì)胞生長的微環(huán)境,促進(jìn)癌細(xì)胞的發(fā)展6)。另外,癌細(xì)胞來源的外泌體上粘著分子的表達(dá)形式?jīng)Q定著癌癥向器官的轉(zhuǎn)移途徑7)。最近,有報(bào)告指出脂肪細(xì)胞釋放的外泌體對(duì)肝臟的遺傳基因表達(dá)有控制作用8)。許多病毒利用外泌體的產(chǎn)生路徑感染細(xì)胞,受病毒感染的細(xì)菌和寄生蟲通過外泌體控制其他受細(xì)胞感染的細(xì)菌、寄生蟲的活動(dòng)9、10)

  上述這些功能幾乎都是通過細(xì)胞分泌到外泌體中的分子引起的。其中已發(fā)現(xiàn)外泌體內(nèi)含有分泌細(xì)胞來源mRNA和miRNA,外泌體與細(xì)胞間遺傳基因表達(dá)信息的水平傳播相關(guān)性倍受矚目11)。這些RNA被外泌體的脂質(zhì)雙層膜所保護(hù),不會(huì)被核糖核酸酶所分解,可以在血液和體液中穩(wěn)定存在。被靶細(xì)胞吞噬的外泌體通過與內(nèi)體膜融合,將RNA釋放到靶細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中。釋放出來的mRNA翻譯為蛋白質(zhì),但miRNA抑制目的基因的翻譯,因此外泌體在靶細(xì)胞內(nèi)控制基因的表達(dá)。外泌體的蛋白質(zhì)有數(shù)萬種,mRNA、miRNA的種類有數(shù)千種以上,它們的結(jié)構(gòu)除了受細(xì)胞來源不同的影響,還受到細(xì)胞狀態(tài)不同的影響。另外,外泌體中這些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與它們在分泌細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)不同,所以可能存在一種外泌體特異蛋白和mRNA/miRNA在外泌體內(nèi)選擇性積累的機(jī)制。這種特異性可將外泌體內(nèi)的RNA作為生物標(biāo)記,更進(jìn)一步作為治療開發(fā)方法的靶點(diǎn)。外泌體中的mRNA一旦被靶細(xì)胞吞噬,能夠引起這個(gè)細(xì)胞內(nèi)的功能性蛋白的表達(dá),但外泌體中多數(shù)的miRNA是前體而非功能性miRNA,這些miRNA起著何種生理性意義,學(xué)者們正在研究。由于外泌體含有各種蛋白質(zhì)、RNA和脂質(zhì),研究人員正將其進(jìn)行細(xì)胞分類,建立數(shù)據(jù)庫(ExoCarta)。此外,在世界各地分別進(jìn)行著運(yùn)用蛋白質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)的大規(guī)模分析工作,而FunRich的EV plugin作為一種通用的分析手段已被公布出來。今后,在推進(jìn)外泌體研究方面,各領(lǐng)域的研究人員信息共享至關(guān)重要。

 ◆運(yùn)用外泌體進(jìn)行治療和診斷的功能開發(fā)

  隨著外泌體的功能逐漸被發(fā)現(xiàn),近年來,應(yīng)用這些功能的治療法也在被開發(fā)出來。例如,血液中的成纖維細(xì)胞所釋放的外泌體,可以促進(jìn)角質(zhì)形成細(xì)胞的移動(dòng)和增殖以及血管新生來促進(jìn)傷口愈合。有報(bào)導(dǎo)指出,外泌體內(nèi)miRNA參與促進(jìn)血管新生、抗炎癥性和促進(jìn)膠原蛋白沉淀等一系列過程12)。從癌癥患者樹突狀細(xì)胞釋放的外泌體中,含有各種癌癥細(xì)胞來源的蛋白質(zhì),可以強(qiáng)化殺傷性T細(xì)胞對(duì)癌癥細(xì)胞的特異性反應(yīng)。利用此功能的抗腫瘤免疫療法,目前正處于初期臨床研究階段13)。另外,科學(xué)家也嘗試?yán)猛饷隗w的抑制發(fā)病機(jī)制功能。例如,類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者的滑膜成纖維細(xì)胞所釋放的外泌體,高濃度集聚誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的TNF-α,可使類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎惡化14)。通過上述介紹可以知道癌癥細(xì)胞來源的外泌體含有與癌癥進(jìn)展相關(guān)的分子,神經(jīng)細(xì)胞來源的外泌體含有與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)的分子,因此,通過抑制或去除這些外泌體,有希望抑制疾病發(fā)生。隨著今后的研究發(fā)展,外泌體功能逐步清晰,并擴(kuò)大臨床應(yīng)用,有望將外泌體應(yīng)用在各種疾病治療上。甚至可嘗試?yán)猛饷隗w將siRNA和抗癌藥劑等運(yùn)輸?shù)侥繕?biāo)細(xì)胞中。各種細(xì)胞粘著分子在外泌體膜表面表達(dá),由其決定外泌體被運(yùn)輸往哪一種細(xì)胞,期望開發(fā)利用該特征的新型DDS15)。外泌體在體液中十分穩(wěn)定,同時(shí)外囊泡所含的蛋白質(zhì)和RNA被外泌體的脂質(zhì)雙層膜所包被也不會(huì)分解。另外在從體液中提取外泌體后,體液可長期穩(wěn)定保存,因此外泌體有望成為臨床檢測的新型疾病生物標(biāo)記。外泌體與各種疾病的相關(guān)性被檢測出,特別是血液中釋放的癌細(xì)胞來源的外泌體,其與正常細(xì)胞來源外泌體在結(jié)構(gòu)分子上的差異倍受矚目,并作為癌癥早期診斷技術(shù),應(yīng)用于與癌癥進(jìn)展相關(guān)的研究16)。甚至人們期望將尿液中的外泌體作為腎臟、前列腺疾病、膀胱疾病的新型診斷標(biāo)記,髓液中的外泌體作為腦內(nèi)腫瘤和神經(jīng)退行性疾病的新型標(biāo)記物。

 ◆外泌體研究的課題和展望

  已經(jīng)有許多關(guān)于外泌體作用的報(bào)導(dǎo),根據(jù)這些現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)中,從體液和培養(yǎng)上清中高純度提取的高純度外泌體,在活體內(nèi)是否真的能發(fā)生作用尚未能確定。確認(rèn)外泌體生理作用的唯一方法就是明確外泌體的釋放機(jī)制,通過促進(jìn)或抑制釋放機(jī)制,分析會(huì)引起何種生理作用,這是進(jìn)一步研究的發(fā)展方向。甚至活體內(nèi)的外泌體動(dòng)態(tài)(哪個(gè)外泌體遷移至何處)也會(huì)成為今后需要努力研究的重要課題。

  目前,提取外泌體的方法主要有超速離心法、PEG沉淀法,但這些方法混有非常多的雜質(zhì),必須慎重分析得到的是否是外泌體。超速離心法存在操作繁雜、回收量不穩(wěn)定,不能用于定量分析、必須使用昂貴的超速離心機(jī)、無法進(jìn)行多樣品分析等問題。因此外泌體研究相對(duì)困難,需要盡快開發(fā)操作簡單、可提取高純度外泌體的技術(shù)。因此,日本和光著眼于巨噬細(xì)胞的外泌體受體Tim4蛋白,制備Tim4細(xì)胞外域與磁珠結(jié)合的“Tim4磁珠”17)。Tim4通過磷酯酰絲氨酸(PS)法特異性結(jié)合Tim4蛋白和磁珠,再經(jīng)過含有EDTA的洗脫緩沖液進(jìn)行分離,提取高純度的完整外泌體。實(shí)際上,用PS親和法提取的人白血病細(xì)胞釋放的外泌體,其純度與超離心法和PEG沉淀法提取外泌體做比較, PS親和法提取的外泌體,其蛋白特異性檢測可高出10~100倍以上,幾乎沒有混入外泌體以外的蛋白,回收量高,操作重復(fù)性好。結(jié)果表明,PS親和法可以檢測到許多目前為止都無法檢測的外泌體蛋白質(zhì)和RNA。應(yīng)用Tim4的外泌體強(qiáng)結(jié)合能力,可用ELISA或FACS高靈敏度定性檢測、定量分析外泌體。以前無法用超速離心法提取的微囊泡,也通過運(yùn)用PS親和法實(shí)現(xiàn)高純度提取。本指導(dǎo)書中對(duì)該技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明,這項(xiàng)技術(shù)的有用性今后將受到世界各方評(píng)價(jià),有望在外泌體和微囊泡生理功能的分析研究上起重大貢獻(xiàn)。

  外泌體的檢測和提取還遇到一個(gè)困難即:對(duì)各種外泌體的分類。研究人員尚未統(tǒng)一定義以何種方法提取的細(xì)胞外囊泡可以稱之為外泌體,給實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和重復(fù)性確認(rèn)帶來困難。近年,隨著國際細(xì)胞外囊泡協(xié)會(huì)的成立、世界性研究者研討會(huì)的舉辦,提案MISEV指南作為國際標(biāo)準(zhǔn),計(jì)劃或已經(jīng)開始進(jìn)行EV研究的科學(xué)家請務(wù)必閱讀這些方針18、19)。另外,建立記錄各論文實(shí)驗(yàn)條件的數(shù)據(jù)庫也可作為規(guī)避混亂的方法之一20)。一方面,隨著EV研究倍受世界矚目,各國啟動(dòng)了大型研究項(xiàng)目。美國啟動(dòng)NIH戰(zhàn)略性大型項(xiàng)目(Extracellular RNA Communication),國際權(quán)威性學(xué)會(huì)——Gordon和Keystone Symposia也從2016開始成立會(huì)議小組。受到歐洲藥物研究開發(fā)公司“創(chuàng)新藥物倡議組織(IMI)”的支持推進(jìn)的CANCER-ID項(xiàng)目,也包含EV研究在內(nèi)。2017年日本選定了EV研究為文部科學(xué)省研究開發(fā)戰(zhàn)略的目標(biāo)之一,期待會(huì)加速今后的研究發(fā)展。無論如何,今后EV研究的根本就是必須有強(qiáng)有力的研究方法和技術(shù),而PS親和法有望成為其中之一。

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MagCapture? 外泌體提取試劑盒 PS Ver.2
提高回收率和純化純度的外泌體提取/純化試劑盒

本試劑盒是提取/純化外泌體的試劑盒,比起第一代產(chǎn)品(293-77601 MagCapture? 外泌體提取試劑盒PS),提高了外泌體的回收率和純度,并縮短了實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間。使用本試劑盒純化的外泌體可以直接用于細(xì)胞攝取實(shí)驗(yàn)。

 


◆特點(diǎn)


● 提高了外泌體的回收率和純度

● 縮短親和反應(yīng)的時(shí)間(3 h→1 h)

● 降低純化外泌體的細(xì)胞毒性

 


◆數(shù)據(jù)


■  比較外泌體的回收率


納米級(jí)粒子數(shù)檢測

ELISA EV表面標(biāo)記物的比較 

編輯搜圖

編輯搜圖



Western blotting EV標(biāo)記的比較


編輯搜圖


在間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)的培養(yǎng)上清中,使用第一代產(chǎn)品(圖中簡寫為Ver.1)和本試劑盒(圖中簡寫為Ver.2)提取和純化含外泌體的細(xì)胞外囊泡(圖中簡寫為EV)。然后,對(duì)所得樣品進(jìn)行納米級(jí)粒子數(shù)檢測以及使用PS MagCapture? 外泌體 ELISA Kit(鏈霉親和素HRP)(產(chǎn)品編號(hào):298-80601)和WB比較EV標(biāo)記物。

Ver.2與Ver.1相比,回收率有所提高。



■ 比較純化外泌體的細(xì)胞毒性


編輯搜圖


使用Ver.1和Ver.2提取和純化COLO201細(xì)胞培養(yǎng)上清中含外泌體的細(xì)胞外囊泡。然后僅將elution buffer或純化外泌體加入到人正常成纖維細(xì)胞中,觀察經(jīng)過48 h后的細(xì)胞形態(tài)變化。

在Ver.1中,加入外泌體和elution buffer后48 h出現(xiàn)了細(xì)胞死亡,而Ver.2中未觀察到明顯的細(xì)胞毒性。證明Ver.2中elution buffer的細(xì)胞毒性已經(jīng)降低了。



■ 比較不同親和反應(yīng)時(shí)間里外泌體純化的回收率


編輯搜圖


在COLO201細(xì)胞培養(yǎng)上清中,為Ver.2設(shè)定4個(gè)親和反應(yīng)時(shí)間條件,提取和純化含外泌體的細(xì)胞外囊泡(EV)。然后,獲得的樣品使用PS MagCapture? 外泌體 ELISA 試劑盒(鏈霉親和素HRP)(產(chǎn)品編號(hào):298-80601)比較EV表面標(biāo)記物。

在Ver.2中,確認(rèn)了1 h的親和反應(yīng)可以充分提取到培養(yǎng)上清中的細(xì)胞外囊泡。



產(chǎn)品列表

產(chǎn)品編號(hào)產(chǎn)品名稱產(chǎn)品規(guī)格產(chǎn)品等級(jí)備注
294-84101MagCapture? Exosome Isolation Kit PS Ver.2
MagCapture? 外泌體提取試劑盒 PS Ver.2
2次用基因研究用
290-84103MagCapture? Exosome Isolation Kit PS Ver.2
MagCapture? 外泌體提取試劑盒 PS Ver.2
10次用基因研究用