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【综述】国家纳米科学中心:牛奶外泌体作为口服给药系统的前景探讨

由于生物利用度差,许多药物必须静脉内给药无法口服给药。牛奶含有来自多种细胞来源的丰富外泌体,已经证明牛奶外泌体(MEs)可以在胃中的强酸性条件和肠道中的降解条件下存活,其穿越胃肠道屏障的能力使它们成为一种有前途的口服给药工具。近日,来自国家纳米科学中心梁兴杰课题组和北京航空航天大学陈军歌课题组的研究人员在Biomaterials杂志上发表综述,探讨了MEs 的纯化、生物相容性和免疫原性,以及作为口服天然药物载体的前景。

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 1. 外泌体的起源和特征 
外泌体是由于环境刺激或自我激活而由细胞分泌的纳米级(直径为 30-150 nm)的细胞外囊泡 (EV)。外泌体膜具有脂质双层结构,在透射电子显微镜下通常呈圆形或杯状。外泌体于1983 年首次在绵羊网织红细胞中发现,并于 1987 年被RM Johnston 命名为“exosomes”。起初,外泌体被简单地视为细胞处理自身废物的系统。后来的研究发现,外泌体可能被认为是细胞间通讯的重要介质。细胞吸收和分泌外泌体的过程是相互关联的。外泌体作为生物体内细胞通讯的“信鸽”,被多种不同的机制吸收和分泌,并特异性作用于不同的细胞。所有这些因素都增加了细胞间通信的复杂性。外泌体在许多生物过程中发挥着重要作用,例如生长、免疫反应和疾病发生。因此,外泌体可以作为疾病诊断的生物标志物,作为解释疾病发生发展机制的切入点,以及作为疾病治疗的载体。
2. 外泌体的分离纯化
与其他一般研究中细胞分泌的外泌体相比,牛奶中也含有大量的外泌体。但牛奶中也存在大量游离蛋白质和脂肪,影响牛奶外泌体(milk exosomes,MEs)的提取、分离和纯化。在ME的纯化过程中,必须去除脂肪、细胞碎片和大部分游离蛋白质等杂质。MEs的纯化方法与传统的外泌体纯化方法相似,包括差速离心、过滤离心、密度梯度离心、免疫亲和捕获、尺寸排阻色谱、微流控技术等。 
3.外泌体装载药物的方法
如下图所示,多种方法用于将货物装载到外泌体中,例如共孵育、电穿孔、超声处理、脂质体、CaCl2等。最简单的载药方法是共孵育。通过被动扩散,疏水性药物可以通过共孵育装载。紫杉醇、姜黄素、紫杉醇 A 和多西紫杉醇等药物可以在适当的缓冲液中共同孵育装载到外泌体中。然而,共孵育可能导致药物装载效率低。2011 年还开发了将 siRNA 装载到修饰的外泌体的电穿孔方法,优化了电穿孔方案,以获得更高的 siRNA 装载效率。电穿孔(400 V,25 μF)有助于实现最大的 siRNA 加载效率。因此,电穿孔可用于将亲水性药物货物输送到外泌体中。
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4. 牛奶外泌体作为天然口服给药系统
基于外泌体的纳米载体在药物递送方面具有三大优势。1) 外泌体膜由双层磷脂组成,保护外泌体的内容物免于降解。2)外泌体表面布满跨膜蛋白(CD9、CD63、CD81等)和膜结合蛋白,可有效延长外泌体在血液中的循环时间,促进药物的组织靶向递送。3)外泌体具有克服生理障碍(胃肠道屏障和血脑屏障)的潜力。最近,从肿瘤细胞系、淋巴细胞和干细胞中分离的外泌体已被用于靶向药物递送。然而,细胞系产生的外泌体非常低,因此很难达到商业药物生产所需的水平。此外,外泌体的蛋白质成分在全身给药时可能会引起免疫反应。研究人员发现,牛奶是外泌体的可扩展来源。ME是进化上保守的 EV,具有良好的稳定性和低免疫原性,显示出优异的跨物种耐受性。ME在通过胃肠道的过程中可以保持核酸和蛋白质的完整性,从而在局部或运输到循环系统后发挥作用。随着对靶向药物递送系统的额外修饰的发展,牛奶外泌体已被广泛接受为运输多种生物分子和化疗药物的有前途的载体。
5. 牛奶外泌体的给药系统的生物利用度、生物相容性和免疫原性 
口服给药是首选的给药途径,但口服给药的挑战是巨大的。由于胃肠道环境恶劣,药物很难通过胃肠道壁被人体完全吸收。多年来,人们一直在探索应用功能化纳米药物递送系统来提高口服给药后的药物生物利用度。MEs可以作为基因和药物的有效治疗载体。由于其独特的进化潜力和特殊性质,MEs 很可能在胃肠道运输过程中以完整颗粒的形式被完全吸收。因此,MEs 中所含的药物可免受胃肠环境的降解。此外,MEs的免疫原性非常低,因此值得研究MEs作为静脉给药的新型药物载体。然而,外泌体在体内的生物学分布特征,如组织分布、血药浓度、表观分布容积和尿液清除率等将决定外泌体的疗效和潜在毒性,尚未得到相关研究的充分评估。
6. 存在的挑战
与所有其他外泌体一样,牛奶外泌体生产的工业化(规模、纯度、成本、一致性和标准化)目前是一项重大挑战。另一个重要问题是缺乏统一、标准化的分离和纯化方法。此外,限制外泌体市场增长的其他因素包括缺乏熟练的专业人员以及需要改进外泌体产品商业化的监管要求。但我们坚信,通过基础研究人员、监管机构和市场的合作,可以逐步建立和推进乳外泌体生产平台的标准化,越来越多的关注和资金投入必将加速MEs的基础研究进展和临床转化。​ 
参考文献:High-quality milk exosomes as oraldrug delivery system. Biomaterials. 2021 Sep 9;277:121126.

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