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从细胞垃圾到行业新贵,外泌体何以逆袭?

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医疗健康
作者:肖伞伞
编辑:刘聪 2022-06-30 18:06
外泌体距离成为“理想的载体”,还有一系列的技术挑战。

从发现即被视为细胞垃圾的外泌体,迎来了人生的高光时刻,这是几十年前科研学者所无法预料的。

1983年,加拿大魁北克省蒙特利尔,麦吉尔大学生物化学系教授Rose M. Johnstone研究小组在体外培养的绵羊红细胞上清中发现外泌体。这是人类与外泌体的初相识,但仅被定义为细胞代谢的“垃圾”——一种有膜结构的小囊泡,可将一个细胞成熟过程中不必要的蛋白质携带至另一个细胞。

四年后,外泌体才在生物学领域有了自己的姓名,发现者Johnstone教授为其命名为“exosomes”。2013年诺贝尔医学奖颁发给了三位科学家,以表彰他们发现细胞内的主要运输系统——囊泡(外泌体等)运输的调节机制。外泌体一朝成名天下知,也将相关学术研究推向前所未有的高潮。

2015年,外泌体让癌中之王胰腺癌露出蛛丝马迹震惊业界,相关生物科技公司竞相成立。

“5年前后,却好像是两个世界。”工程化外泌体研究和治疗转化公司恩泽康泰联合创始人李志向亿欧大健康如此描述。2017年,恩泽康泰刚成立时,外泌体在国内产业端还鲜有人知,无人问津。而现在,寻求合作的电话一天响个数十次,举办的“外泌体大讲堂”场场爆满。

外泌体的风肉眼可见地刮起来了。学者在关注、投资人在关注、企业均在关注,美国国家生物医学图书馆PubMed已收录相关文章22235篇,一级市场融资不断。有关外泌体载药、诊断、免疫疗法等文章陆续登顶Science、Nature、Cell、JEV等各大顶级期刊,俨然是学术明星。罗氏制药、礼来、武田制药更是纷纷豪掷数亿美元,夺得外泌体的入场券。

在“出生即最低点”的逆袭模式中,外泌体的功能不断被拓展,撬起了更广阔的商业化想象力。据Grand View Research预测,全球外泌体整体市场规模在2030年将达22.8亿美元。在这个十亿美元的领域中,希望与困难并存,仍有诸多疗法有待验证,难题待解。

开启药物递送新方式

“外泌体好像细胞间的‘闪送’,其广泛存在于我们的体液中用来传递细胞间信息,也极有潜力进行药物调控。”清华大学药学院教授、副院长尹航在直播中一言道出外泌体的价值。

眼下,其最令业界动心的功能莫过于药物递送。恩泽康泰CTO赵立波博士向亿欧大健康指出,可以将外泌体理解为一个广谱型的药物载体,适用范围囊括了小分子,包括蛋白与核酸在内的生物大分子,甚至还能包载腺相关病毒(AAV)等。

从形成来看,外泌体是细胞经过“内吞—融合—外排”等一系列调控过程而形成的直径在40—160nm之间的细胞外囊泡。它由完整的磷脂双分子层所包裹,内含丰富的DNA和RNA、脂质、代谢产物、胞质蛋白等。外泌体几乎是所有活细胞分泌的天然纳米级囊泡,得天独厚的膜结构使它们成为细胞中的“闪送员”,可将RNA、蛋白质和其它分子从宿主细胞转运到受体细胞。

 外泌体的组成,图源:Science

这恰恰能破解基因疗法长期以来的递送难题。递送载体作为基因疗法的关键,主要分为病毒载体和非病毒载体两大类。病毒载体中,AAV应用较为广泛,但免疫原性高,不能重复给药。合成脂质纳米颗粒(LNP)一直是基因疗法的主要递送装置,不过它们会在人体中引起毒性免疫反应。尽管设计已有所改进,LNP递送系统大多靶向肝脏,肝脏以外器官的有效递送问题亟待解决。此外在稳定性、递送效率、靶向性方面,仍有许多提升空间。外泌体则巧妙攻克了以上诸多难题。

2011年《Nature Biotechnology》上的一篇文章,让人们意识到外泌体穿越血脑屏障的能力。英国牛津大学医学科学部副主任马修·伍德教授研究团队发现:静脉注射神经元归巢肽标记的外泌体能够穿越小鼠血脑屏障,并递送足够的siRNA来显著降低BACE(阿尔茨海默症的一个潜在靶点)的表达。

“有了外泌体,我们就有可能将任何药物输送到各种各样的组织中,因此选择的范围相当广泛。不过这同时对于挑选靶向哪种疾病又是一种挑战。”专注于外泌体递送的英国公司Evox Therapeutics首席执行官Antoninde Fougerolles此前介绍道。他指出,外泌体可以高效、安全地在细胞间交换RNA和各种蛋白质,这是其基本优势。

赵立波博士分析到,之所以使用外泌体载药,基于其四方面优势:首先其是天然驯化的生物大分子载体,在体液中广泛存在,因此免疫源性低,安全性高;其二它能够循环至人体所有腔室,跨越血脑屏障;其三外泌体具有一定的组织选择性,有望实现非肝靶向,更精准递送至“目标地”;其四它同时具备内源和外源改造的潜力,可以实现更丰富的功能。

依据药物负载在外泌体的前后顺序,可以分为内源性载药与外源性载药。内源性载药是在亲本细胞产生外泌体之前,把药物整合到细胞,让细胞成为载药外泌体的“活工厂”,分离纯化得到载药外泌体;外源性载药是分离纯化天然外泌体之后,通过多种装载方式将药物导入外泌体之中,不同装载方式适用药物类型有所不同。

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无毒积累等优势,外泌体成为药物递送的“天选之子”。许多学者及企业正在利用外泌体解决一系列疗法的药物递送问题:小分子、RNA 疗法、基因疗法,甚至CRISPR基因编辑工具。他们通过分离、加载和修饰外泌体,尽可能让其成为一个“黄金工具”。

但是,外泌体距离成为“理想的载体”,还有一系列的技术挑战(药物载量如何做到更高、如何延长在活体中的循环时间等)有待克服。在硬币的另一面,其异质性、复杂性也深深困扰着从业人员,他们难以窥得外泌体真实全貌,对其具体合成机制、功能了解仍有待加强。

成为液体活检新秀

外泌体性质的差异,造就了应用功能的参差。癌细胞外泌体携带的大量肿瘤标志物,掀起了液体活检的热潮。

事实上,几乎所有细胞都能产生外泌体。不同来源的外泌体继承生物分子不同,产量、含量、功能也存在一些差异,种种特质构成了外泌体的复杂异质性。“外泌体可以是高度异质的群体,并且具有诱导复杂生物反应的独特能力。”美国MD安德森癌症中心癌生物学系主任Raghu Kallur教授曾在《Science》杂志的一篇综述如此指出。

在Raghu Kallur教授的研究中,外泌体可以诱导或促进肿瘤形成。胰腺癌细胞的外泌体通过在NIH/3T3受体细胞中诱导突变来启动细胞转化;乳腺癌和前列腺癌细胞的外泌体通过转移其miRNA物质诱导肿瘤形成……简而言之,不同癌种衍生的外泌体物质,如核酸、信号蛋白和代谢物,可以对细胞产生促肿瘤作用。

除了诱导肿瘤形成,来自癌细胞的外泌体还在转移部位引发实质信号反应、有效重塑远处微环境以增强癌细胞转移。此外,癌细胞脱落的外泌体会促进机体对各种化学治疗剂和抗体产生耐药性,从而降低治疗功效。

癌细胞外泌体因此臭名昭著,如何把他们化敌为友?一项聪明的结论是——因势利导,利用外泌体与癌症的标志性特征,实现癌症诊断。借助于外泌体中的致癌和肿瘤抑制miRNA,可以增强癌症早期诊断的准确性。外泌体携带着癌细胞的“身份信息”,通过观察外泌体中的特定miRNA或miRNA组状态及差异化表达,可在癌症检测中提供诊断或预后潜力。

“如果我们能够了解外泌体里包含的物质,也许就能让我们对人体疾病的状态有所了解,提高诊断方面的潜力。”Raghu Kalluri教授在接受采访时说道。

2015年,一项震惊业界的研究将外泌体与液体活检双双推入聚光灯下。Raghu Kallur教授在《Nature》上刊文称,胰腺癌癌细胞外泌体中包含的GPC1蛋白可以作为一种非侵入性诊断和筛查处于适合手术治疗阶段的早期胰腺癌。最重要的是,它可以将慢性胰腺炎与早期或晚期胰腺癌区分开来,对胰腺癌诊断100%的效能深深吸引了全行业的目光。

这项传奇论文也点燃了学者与企业布局外泌体液体活检的热情,相关论文与产品陆续问世。

“外泌体标志物所代表的生物学意义,也可能比我们想象的更丰富。”赵立波博士剖析到,因为外泌体携带了大量来自于亲本细胞的生物大分子,能够实时动态地反映亲本细胞的生理和病理状态,所以跟ctDNA(循环肿瘤DNA)、和CTC(循环肿瘤细胞)一起并称为液体活检的“三驾马车”。

相比而言ctDNA更像是肿瘤基因组的一张“快照”,可以反映当前肿瘤基因组的特征,但目前业界更倾向于认为ctDNA自身是不具备生物学功能的。外泌体能够促进远端预转移龛的形成,从而有利于CTC的定殖和转移灶的形成,因此外泌体的生物学意义或者说其携带的信息可能更加丰富。

作为极有前景的肿瘤标志物,外泌体以其分布广泛,含量高,结构稳定的特点,在液体活检领域异军突起,成为极具前景的“潜力新秀”。不过,缺点亦同时存在。在赵立波看来,外泌体虽然内含物种类很丰富,但是异质性较高,而且特定某一种蛋白或者核酸分子的平均含量很低,因此要开发出性能优异的诊断产品也面临不小的技术挑战。

他表示,经过几年的摸爬滚打,外泌体行业正逐渐分化成3个应用方向:分别是外泌体液体活检、工程改造外泌体的临床应用(包含药物递送)以及(以干细胞外泌体为主的)天然外泌体的临床应用。虽然这三个方向各自的技术路径已经初具雏形,但是面临的技术挑战依旧艰巨。

生物医药的下一个“炸子鸡”

一边是潜力无限的治疗前景,一边是仍披着面纱的外泌体。产业界早已按捺不住,强势冲入这一神秘领域掘金。

据探针资本统计,全球目前共有近50家开展外泌体相关研究的企业。其中,近1/3专注于外泌体诊断相关业务,超过2/3主要开展外泌体药物相关的研究。而在药物研究中,企业主要集中布局在肿瘤(30%)、脑部疾病(16%)、肺部疾病(7%)、皮肤病(5%)、疫苗开发(13%)、医美修护(8%)、肝脏疾病(5%)、肾部疾病(3%)以及基因治疗/罕见病(13%)等9类适应证及应用场景。

纵览外泌体的发展脉络,2015年与2020年对其产业化意义重大。

2015年,是外泌体产业化的一个关键节点。彼时,“精准外泌体”概念提出,兼之诺奖催生的研发热潮,学术界疾病诊断与精准治疗领域的基础研究井喷。在以技术为主导的产业化萌芽期,各学术大牛纷纷入局。

在风险投资机构ARCH Venture Partner与Flagship Pioneering的推动下,Raghu Kallur教授作为联合创始人成立了Codiak  Biosciences公司,开发胰腺癌早诊和治疗产品。

Exovita Biosciences公司在无数期待的目光中成立,并被冠以“全美10家最激动人心技术单位”的美誉。美国国立卫生研究、美国癌症协会、国立癌症研究中心出资220万美元送其出道,专注于乳腺癌的治疗。

英国牛津大学医学科学部副主任马修·伍德教授虽晚了一步,于次年联合成立了Evox Therapeutics公司,但颇得谷歌风投与大药企青眼相加。Evox Therapeutics一是开发了技术平台,把外泌体天然的运输系统设计成“送药系统”,将多种药物运送到以往无法进入的人体组织中去;二是开发罕见病药物研发管线。

2016年,美国Exosome Diagnostics推出全球首款癌症诊断产品——ExoDX Lung (ALK)。该产品基于外泌体检测技术,可同时检测外泌体RNA和ctDNA,对非小细胞肺癌患者的EML4-ALK融合基因突变进行实时筛查……

外泌体市场在国外已呈现百花齐放态势,浪潮不期而至。首届商业外泌体治疗会议2019年在美国波士顿召开,就已有15家公司参加。反观中国,市场也早已暗流涌动。

“我们看好外泌体这个赛道,所以在2017年成立恩泽康泰。”李志指出,公司从成立之初就专注于外泌体的转化技术,其中外泌体治疗事业部专注于外泌体创新药的研发。碳码科技、泌码科技、贝格尔生物、微纳核酸生物、亿微生物等公司也在近几年陆续成立,摩拳擦掌在这领域分一杯羹。

如果说2015年众多公司的成立,奏响了外泌体产业化的前奏曲,那2020年则转换为激情的交响乐。这一年,Codiak两款新药进入Ⅰ期临床,与Jazz Pharmaceuticals、Sarepta Therapeutics分别达成5600万美元、7250万美元的合作,打开了创新药开发的大门。

诸多利好下,Codiak于2020年10月成功登陆纳斯达克,市值超2亿美元,登上外泌体第一股的宝座。大药企也争相恐后抢夺标的,同是这一年,Evox Therapeutics分别与礼来、武田达成了12亿美元和8.82亿美元的联合开发协议。

涌入的巨额资金已然让各大企业红了眼,但这远未到外泌体行业的辉煌时刻。在李志看来,外泌体行业与基因治疗行业极其相似,只不过两者差距10年左右。2012年首款基因治疗药物上市,如今已改变生物医药格局,成为当红炸子鸡。

“我们可以想象10年后外泌体治疗领域的辉煌时刻。”在被问及前景时,他畅想道。但眼下,外泌体药物没有参考也没有标准,企业们只能摸着石头过河,一步一个脚印往前走。

[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] 探针资本_行业研究:外泌体
 

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