一、外泌體是什麼,胞外泌體又是什麼
根據國際胞外泌體協會 (International Society for Extracellular Vesicles, ISEV) 所發布的 Minimum Information for Studies of Extracellular Vesicles (MISEV) 2023 指南定義胞外泌體 (Extracellular Vesicles, EVs) 是從「細胞中釋放出來、無法自行複製的雙層脂質顆粒物」。
而近期於再生醫療和保養品界相當熱門的外泌體 (英文名Exosome) 是由細胞分泌、透過「胞內體系統 (Endosomal System) 所產生」的奈米囊泡結構,是屬於胞外泌體當中的一個子分類 (如不能確認生成起源、通常皆稱胞外泌體),嬌小的身材,直徑小於 200 nm,僅相當於人類頭髮直徑的百萬分之一,含有蛋白質、脂質、訊息核糖核酸 (Messenger Ribonucleic Acid, mRNA) 等生物活性物質,可以在各種體液如血液、尿液、唾液、和母乳中發現到外泌體的蹤影。
起初這種物質 (包括外泌體與胞外泌體) 被視為細胞所釋出的廢棄物,但如今科學界已廣泛認同其可作為細胞間通信媒介的角色。
目前研究較多者為由動物或植物所分泌之胞外泌體,過去,革蘭氏陰性細菌釋出的胞外泌體被推測其源自於細菌外膜,因此又被稱細菌外膜囊泡 (Outer-Membrane Vesicles, OMVs),被發現其能夠影響宿主免疫系統、傳送抗藥性基因或運送毒力因子等等作用。
而文獻相對較少、但近期相當熱門的革蘭氏陽性細菌所釋出之胞外泌體,被發現具有抗菌、調控消化道機能或影響內分泌系統等等效果。由微生物分泌之胞外泌體仍在開發階段,應是極具潛力之研究對象。
外泌體由幹細胞經由胞吐 (Exocytosis) 釋放後,能傳遞含有複雜因子的訊號給其他細胞。其傳遞方式有三種;融合作用 (Fusion)、接受體與配位體交互作用 (Receptor-Ligand Interaction) 或胞吞作用 (Endocytosis)【圖一】,進而調控這些細胞的功能。
【圖一】 外泌體由分泌細胞 ( 左邊藍色細胞) 經由胞吐 (Exocytosis)釋放後,能傳遞含有複雜因子的訊號 ( 包括藥物、營養素或保健功
效活性成分等) 給外泌體接受細胞 ( 右邊灰色細胞)。其傳遞方式有三種;融合作用 (Fusion)、接受體與配位體交互作用 (Receptor-
Ligand Interaction) 或胞吞作用(Endocytosis),進而調控這些細胞的功能。
二、外泌體來自哪裡
1981 年,由美國國家神經與溝通障礙及中風研究所 (National Institute of Neurological and Communicative Disorders and Stroke, NINCDS) 特拉姆斯博士 (Eberhard Trams) 領導的研究團隊首次使用「外泌體」一詞,描述細胞表面釋放的細胞外囊泡 (Extracellular Vesicles,EVs)。1983年外泌體首次在體外培養的綿羊紅血球上清液中被發現,且多種細胞都能分泌。
2013年諾貝爾生理學或醫學獎【圖二】授予美國科學家詹姆斯.羅斯曼 (圖左) 和蘭迪.謝克曼 (圖中) 以及德國科學家托馬斯.蘇德霍夫 (圖右),以表彰他們發現細胞內部囊泡運輸調控機制 (並非外泌體或胞外泌體)。至此胞外泌體才引起各方科學家的注意而成為研究的熱門話題。
【圖二】 2013 年美國科學家詹姆斯.羅斯曼和蘭迪.謝克曼以及德國科學家托馬斯.蘇德霍夫 ( 由左至右) 發現細胞內部囊泡運輸調控機
制而獲得諾貝爾生理學或醫學獎。
人體幾乎所有細胞都能產生外泌體,這些外泌體不僅可由細胞釋放,也能從如心包積液 (Pericardial Effusion)、羊水 (Amniotic Fluid) 等體液中分離出來。多種類型的細胞,如間充質幹細胞 (Mesenchymal Stem Cells, MSCs)、上皮細胞 (Epithelial Cell)、巨噬細胞 (Macrophage, mφ) 等,均能分泌外泌體。
三、外泌體到底能做什麼
由於其具有再生能力以及免疫抑制特性,推動了MSCs分泌的外泌體應用於多種疾病治療的臨床試驗。一些研究顯示:在各種損傷和疾病模型中,MSCs分泌的外泌體可以取代基於MSCs的幹細胞療法。
多項研究顯示:基於其內源性、生物相容性和多功能特性,外泌體可參與機體免疫調節、血管新生、細胞增殖及凋亡等環節,因而發揮組織修復的作用。
(一) 作用一:免疫調節
間充質幹細胞外泌體可降低巨噬細胞趨化蛋白 (Chemokine) CX3CL1及腫瘤壞死因子 (Tumor Necrosis Factor, TNF) 的表現,同時上調介白素-10 (Interleukin-10),降低局部發炎反應,發揮免疫調節的作用。同時幹細胞外泌體可調節機體免疫,促進受損組織修復。
(二) 作用二:促進血管新生
多項研究顯示:由幹細胞生成的幹細胞源性外泌體 (Stem Cell Derived Exosome) 具備與幹細胞相當的心臟保護效力,能增進血管生成、降低細胞凋亡及減輕發炎損害。
外泌體因其優異的穩定性及低受體細胞突變與免疫排斥風險,被視為心血管疾病治療的潛力手段。
2015年研究顯示:間充質幹細胞源性外泌體 (Mesenchymal Stem Cells Derived Exosome, MSC-Exos) 移植能顯著提升心肌細胞存活、對抗損傷、促進新血管生成及改善心臟功能。其他研究亦證實其具有抗發炎、抗凋亡及促進心肌再生的作用。
(三) 作用三:促進細胞增殖
MSCs衍生的外泌體(MSC-Exos)在傷口癒合和心肌梗塞方面展現出顯著效果,尤其是胎盤臍帶MSCs分泌的外泌體,對傷口癒合和組織再生至關重要。
細胞損傷時,凋亡細胞釋放的促有絲分裂訊號可促進體內器官再生,補償細胞損失。凋亡過程中,死亡細胞會誘導相鄰細胞增殖,以恢復體內平衡,但凋亡細胞與相鄰細胞間的訊號傳導機制仍多未知。
近期,芝加哥拉什大學 (Rush University) 醫學中心的研究人員發現:凋亡細胞釋放的含CT10激酶調節因子 (CT10 Regulator of Kinase 1, Crk 1) 的囊泡能誘導相鄰細胞增殖,電子顯微鏡為此提供了直接觀察證據。這些純化的囊泡在體外和體內實驗中均能有效刺激細胞增殖。
(四) 作用四:皮膚損傷修復
皮膚傷口通常需要精細的組織修復,癒合不良會產生疤痕,若發生壞死,不僅會破壞皮膚的屏障功能,而且對疼痛、溫度和觸感的感知也會發生變化。因此,尋找一種替代方法來加速傷口癒合至關重要。
科學家發現:臍帶間充質幹細胞來源外泌體能抑制 α平滑肌肌動蛋白 (Alpha Smooth Muscle Actin, α-SMA) 的表現和減少第一型膠原蛋白 (Collagen) 沉積,可抑制皮膚傷口癒合過程中肌成纖維細胞 (Myo-fibroblasts) 的分化,從而減少疤痕形成,促進皮膚傷口癒合。