外泌体的定量药理学应用————细胞间药物传递的机制 - 外泌体之家 | 细胞外膜泡领域核心平台—exosomes & microvesicles—小膜泡大作用

药物递送量的不足是实体瘤治疗失败的主要原因之一。药物在进入全身循环之后，例如通过静脉内注射药物，药物在到达目标组织细胞并对其施加作用之前，会遇到许多阻碍。最近在术中活体显微镜检查结果进一步发现，人体肿瘤中约一半的血管是没有显著功能的，这也阻碍了药物进入一部分肿瘤组织中。这些问题突出表明需要更好地了解药物在组织间传递的机制。本研究对外泌体的潜在作用进行了研究。

细胞利用胞吐作用将细胞内物质分解成随后释放到胞外空间形成外泌体。外泌体是平均直径在30-100nm之间的小囊泡。它们起源于胞内体腔的出芽，并携带包括脂质、蛋白质（例如热休克蛋白、转录因子、酶、MHC和tetraspanins）以及核酸（例如DNA、mRNA、miRNA和长链非编码RNA）等细胞成分。

外泌体的生命周期包括胞内体的生物发生、转运、释放和通过内吞作用再摄取。生物发生开始于质膜的内化形成早期胞内体，其后来成为多泡体并形成成熟的外泌体。通过ESCRT依赖和非依赖的机制对外泌体的内容物进行分类和装载。在非依赖途径中，神经鞘脂神经酰胺参与将miRNA和脂筏载入胞内体并引发外泌体生物发生。包括Rab-27a/b、Rab-11和Rab-35在内的几种Rab蛋白是将多泡体驱动到质膜的已知的分子马达。外泌体释放到细胞外空间是通过胞吐作用介导的，机制是通过SNARE依赖和非依赖的机制将外泌体膜与质膜融合。细胞重新摄取外泌体到细胞中的过程主要是通过受体介导的内吞作用，其次是质膜融合和吞噬途径。

与正常细胞相比，癌细胞通常产生更高水平的外泌体。衍生自癌细胞的外泌体参与远端转移性微环境的产生、细胞间通信（例如在耐药性发生过程中）和免疫系统调节。例如，肝癌细胞HepG2细胞用细胞毒素（PTX、依托泊苷、伊立替康、卡铂）治疗后，会释放含有更高水平的含有热休克蛋白的外泌体，作为触发应激反应的生存机制。

目前，大多数外泌体的研究集中在表征其内容物和生物学功能。本研究使用体外实验和计算机算法来研究通过外泌体的细胞间药物传递，以及该过程与实体瘤中药效学（pharmacodynamics）之间的定量关系。紫杉醇（PTX）和多柔比星（DOX）作为实验药物，因为这两种药物通常用于多种类型的主要实体瘤（包括例如卵巢癌、乳腺癌、肺癌和前列腺癌）的一线治疗。研究结果表明外泌体是一种细胞间药物传递的机制，具有显著的药理作用。

研究目的：外泌体是由细胞分泌到细胞外空间的小囊泡（直径30-100nm）。本研究评估化疗药物对外泌体产生和释放的影响，并量化了外泌体对细胞间药物传递和药效学的作用。

研究方法：用紫杉醇（PTX，2-1000nM）或多柔比星（DOX，20-1000nM）处理人类癌细胞（乳腺癌细胞MCF7、乳腺癌肺转移性细胞LM2、卵巢癌细胞A2780和OVCAR4）24-48小时。通过超速离心法从药物处理的供体细胞（Donor cells）的培养基中分离外泌体，并分析药物初始受体细胞（Recipient cells）上的乙酰胆碱酯酶活性、总蛋白质、药物浓度和生物学效应（细胞毒性和抗迁移能力）。这些结果用于开发计算预测定量药理学模型。

实验结果：指数生长期的每个细胞在培养基中释放〜220个外泌体。PTX和DOX以剂量和时间依赖的方式显著促进外泌体的产生和释放，而且在卵巢癌细胞中比在乳腺癌细胞中具有更大的促进作用。从供体细胞分离的外泌体含有明显的药物水平（用100-1000nM PTX处理24小时后为2-7pmole/10的6次方细胞），并引起细胞毒性并抑制受体细胞的迁移能力。将细胞PTX药代动力学与PTX药效学结合的定量药理学模型成功预测外泌体对细胞间药物传递的影响、PTX对供体细胞的细胞毒性以及含PTX的外泌体对受体细胞的细胞毒性。另外，在临床可实现的PTX浓度下，随着药物浓度而增加，会增加外泌体药物的外排，并且在饱和时超过了p-糖蛋白的外排量。

结论：研究结果表明（a）化学治疗药物能刺激外泌体生产或释放，（b）外泌体是细胞间药物传递的机制之一，有助于相邻细胞的药效学反应。

参考文献：Wang J, Yeung BZ, Cui M, Peer CJ, Lu Z, Figg WD, Guillaume Wientjes M, Woo S, Au JL. Exosome is a mechanism of intercellular drug transfer: Application of quantitative pharmacology. J Control Release. 2017 Oct 17.

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