外泌体是一种良好的生物材料，因为它们由各种生物微/大分子组成、具有纳米大小等稳定生物材料的所有特性。人们已经在分离和开发外泌体作为潜在的治疗剂。然而，在产量、疗效和靶标特异性方面的局限性还需要得到解决。另一方面，外泌体的一些纳米性质对外界物理或化学变化有反应，其物理特征受其所处环境所刺激，比如光动力、声动力或热力学治疗系统。来自韩国釜庆大学的研究人员发表综述，讨论了外泌体的生物学作用以及如何利用它们来改善药物输送和诊断。此外，还详细探讨超声在调整细胞特征方面的能力，并为提出超声如何改善外泌体的治疗特性提供证据和观点。相关内容以“Exosomes and ultrasound: The future of theranostic applications”为题在线发表于1月20日的材料学期刊Materials Today Bio杂志上。
人体由多种类型的细胞组成，所有的细胞都需要同步运作才能行使正常的生理功能。因此，功能相关的细胞之间保持了恒定的细胞-细胞间通信模式，细胞外囊泡（EVs）是细胞货物系统之一，在细胞间通信中起着非常重要的作用。EV被认为提供了细胞健康的关键信息，因为它们由正常细胞和病理性应激下的细胞分泌。微泡、凋亡小体和外泌体是不同类型的EV，根据大小和分泌方式进行分类。外泌体是双层囊泡，范围在30 - 150nm之间，最初被认为是细胞废物处理系统，但最近的研究提供了全面的证据，表明外泌体携带多种生物分子，可以调节细胞代谢过程，反映生理或病理过程的改变情况。这些来自外泌体的效应分子可能是特定疾病的潜在生物标志物。
外泌体最初被鉴定为软骨细胞分泌的约100 nm的小泡，后来被鉴定为血小板分泌的EV的一部分。在随后的几年里，从成骨细胞中进一步发现了有助于骨骼和牙齿形成的外泌体。研究认为，功能相似的外泌体既参与正常生理功能，如伤口修复、骨形成等，也参与血栓诱导疾病和某些自身免疫性疾病的病理过程。20世纪80年代初的研究表明，网织红细胞分化过程中存在外泌体分泌，外泌体分泌也有助于精子成熟。因此外泌体包含关于细胞健康状况的重要信息，并有助于健康和疾病管理。
外泌体在结构特征与细胞相似，释放的外泌体的大小主要取决于它们的组成和细胞的健康状况。另一方面，外泌体的生化异质性非常普遍，它们几乎包含所有类型的生物分子，如蛋白质、酶、聚糖及糖缀合物、脂类衍生物和核酸。研究显示，不同细胞来源的外泌体中的某些蛋白质被认为是外泌体的特定标记物。外泌体的某些生理和病理功能是通过其所含的脂质和核酸来实现的。
自外泌体被发现以来，其多种功能不断被报道，其中，外泌体在细胞废物管理和细胞间通信方面有强有力的证据。外泌体被认为是细胞内蛋白质的质量控制系统。通过受精诱导受精卵的质膜出芽以去除精子受体是去除蛋白质废物的最好例子之一。此外，人们认为外泌体也具有蛋白质分选途径，有助于定义迁移细胞的前后极性，包括从简单的阿米巴原虫到高度定义的人类白细胞。外泌体的另一个重要功能是细胞间通信，它们携带信号分子，通过细胞摄取或激活受体细胞表面的受体从远处细胞传递信息，从而调节所需的代谢和信号通路。外泌体还有助于细胞外基质的重塑，从而导致生理或病理过程。创面修复和成骨是常见的生理过程，主要由外泌体及其在ECM重塑中的影响。另一方面，癌细胞可塑性、病理性钙化和神经退行性变也受外泌体介导。
外泌体的生物学功能使其成为了解细胞生理状态和病理进展的重要媒介。外泌体近年来受到多学科研究人员的广泛关注，因为它们在生物标志物、图像引导的特定疾病诊断中起着重要作用。外泌体衍生的分子既可以内化在受体细胞中，也可以通过受体调节细胞通路，这使它们成为高效药物传递系统的理想候选。生物医学研究人员在开发外泌体作为一种潜在的治疗剂时考虑了外泌体的这些特性。在实现治疗药物的应用方面存在一些挑战，包括特异性、部位靶向等关键因素。这导致专家们寻求一种外部触发式或图像引导来增强外泌体或其他类似治疗剂的治疗特性。成像方式，如MRI、CT、超声等，通常被用于图像引导诊断和治疗应用。
生物医学成像在疾病诊断中，为某些复杂的疾病如癌症和神经退行性疾病制定了很多治疗策略。利用生物分子的某些物理性质，如磁性、声学、电离、辐射、荧光等，为诊断疾病提供有关系统病理和解剖状态的重要信息。虽然每种成像方法都有其优点，但超声是很常用的非侵入性成像方法之一，因为它不像MRI那样需要高剂量的造影剂来更好地显示，不涉及电离辐射，还能提供关于软组织的重要信息。
不同的细胞对超声有独特的反应，并能有效地调节细胞的迁移和流动性。除了物理性质外，细胞的细胞内/细胞外分子剖面也会因声学操作而改变。一些研究人员关注和探索外泌体作为一种介质，用于提高细胞对药物的吸收、诊断或跟踪特定细胞类型。一些研究人员利用超声对细胞特性的影响，重点研究了外泌体分泌或外泌体介导的药物传递。
因此，超声波和声学系统被广泛研究，因为超声能够改变所应用的系统的特性，包括外泌体。在这篇综述中，研究人员分别详细介绍了外泌体和超声的诊断和治疗应用，包括它们的常规应用、缺点以及应对挑战的发展。这些信息被分为不同的部分，提供了外泌体在各种疾病中的分离策略和治疗应用的完整概述。然后阐述了基于超声的疾病诊断和治疗，特别关注了超声在增强纳米药物和纳米药物传递系统疗效方面的应用，最后讨论了超声在增强外泌体诊断和治疗性能方面的能力，这可能是治疗学的未来发展方向。
参考文献：Exosomes and ultrasound: The future of theranostic applications. Mater Today Bio. 2023 Jan 20;19:100556.
