The physico-chemical landscape of extracellular vesicles
细胞外囊泡的物理化学特性
论文信息：NatureReview Bioengineering IF：2023年新刊影响因子暂无
主讲人：李德重，2025年3月2日
研究背景
细胞外囊泡被定义为从纳米尺度到微米尺度的颗粒，由脂质双层膜包裹，似乎能够由所有类型细胞释放，并能够在细胞、组织、器官和生物体之间运输具有生物活性的分子。因此，细胞外囊泡正在被探索作为生物材料、药物递送纳米载体、治疗药物和多重生物标志物。然而，细胞外囊泡的分离、表征和大规模制造仍然具有挑战性。在这篇综述中，作者们阐述了细胞外囊泡的物理-化学特性格局，这些特性源于它们的组成和构象集合，并概述了这一格局如何受到它们尺寸、组成、膜结构、表面相互作用、有效载荷和共分离物异质性的定义。作者们探讨了这种异质性对细胞外囊泡纯度、身份和功能定义的影响。将这一特性与抗体治疗药物和病毒载体药物的特性进行比较，可以从这些产品的生物工艺处理中汲取经验，并识别与从生物体液中分离和制造细胞外囊泡相关的独特挑战，这将需要新的概念和技术。作者们强调了对细胞外囊泡物理-化学特性的深入理解对其临床转化的重要性。这包括生物工艺方法的开发、产品质量属性的赋值、细胞外囊泡产品的一致性以及大规模制造。
研究意义与目的
本文作者重点阐述了细胞外囊泡的物理-化学特性格局，揭示了它们的异质性（如尺寸、组成、膜结构等）对纯度、身份和功能的影响，并通过与抗体治疗药物和病毒载体的比较，提出生物工艺处理中需要克服的独特挑战。深入理解细胞外囊泡的物理-化学特性对于其临床转化至关重要，包括生物工艺方法的开发、产品质量属性的赋值、一致性以及大规模制造。
研究内容
1.天然治疗化合物的挑战 ：
•单克隆抗体（mAbs）和RNA等天然化合物在生物体液中的稳定性有限，难以直接转化为药物。
•这些化合物的靶向递送至特定器官和细胞具有挑战性，但为了减少非靶向毒性，这一过程是必要的。
•由于靶向递送的缺陷，约40%的新药未能通过临床验证。
2.纳米载体的发展 ：
•为了应对这些挑战，开发了多种纳米载体，包括人工合成载体材料（如聚合物胶束、脂质纳米颗粒）和天然生物来源的载体（如病毒载体、腺病毒和腺相关病毒，AAVs）。
3.细胞外囊泡的优势 ：
•细胞外囊泡（包括外泌体）是由细胞产生的脂质基生物纳米粒子，具有自然的递送能力，能够高效运输蛋白质、RNA、脂质和代谢物等生物活性分子。
•它们的自然趋势性使其能够穿过组织和细胞屏障，相比合成纳米粒子，减少了脱靶效应。
•Bexsero 是首个基于细胞外囊泡的治疗产品，作为脑膜炎疫苗获得批准。
4.细胞外囊泡的研究进展 ：
•来自人体不同来源（如间充质干细胞、脂肪组织或骨髓的细胞）的细胞外囊泡已在临床前和临床研究中测试其治疗潜力，应用范围包括炎症性疾病、神经系统疾病、组织损伤、癌症和COVID-19引起的急性呼吸窘迫综合征。
•尽管这些研究进一步阐明了细胞外囊泡的安全性、有效性和作用机制，但大多数产品仍处于临床前阶段，因此需要更多研究其物理化学性质、结构、分离方法及其在体外和体内系统中的生物学功能。
5.未来方向 ：
•通过研究细胞外囊泡的物理化学特性谱系，可以识别其固有特征，并与病毒载体和单克隆抗体产品进行比较，从而为其生物工艺改进提供参考（如连续制造、数字化和微流控技术）。
•研究和开发细胞外囊泡还需要新概念和技术的支持，以推动其在治疗和制造领域的应用。
总之，细胞外囊泡因其天然的递送能力和生物相容性，展现出巨大的潜力，但其临床转化仍需进一步研究和技术突破。
总结与展望：
EVs的复杂性与异质性：
EVs制剂包含多种囊泡类型，具有部分重叠的能量但显著不同的物理化学特性（如大小、组成、表面电荷、膜刚度和共分离物）。
生物分子冠（生物体液中的动态现象）可被视为EVs的组成部分。
生产与分离的挑战：
EVs的多维性使其身份和纯度的定义变得复杂，均质亚群的分离困难。
需要开发高通量的分离和定量分析方法，以确保EVs产品的纯度和质量。
借鉴抗体生产工艺：
连续生物工艺、微流控和数字化技术可能改善EVs的生产。
EVs复杂性的优势与应用：
生物材料应用：EVs的复杂性为其在生物工程中的应用提供了多样性。
抗病毒功能：特定EVs群体可通过竞争性结合细胞受体阻断病毒进入。
诊断应用：EVs在液体活检中具有潜力，可用于生物标志物发现。
临床应用的挑战与方向：
需要更好地理解生物分子冠的组成和表面分子的亲和力。
研究细胞如何控制EVs释放及其与物理化学特性、生物学功能的关系。
确定引导EVs到达靶标的表面分子，并评估共分离物对其功能的影响。
未来展望：
在特定背景下，确立EVs复杂性的优势与局限性，推动其在生物医学领域的应用。
