01什么是外泌體?
外泌體(Exosome)是一類直徑約30-150 nm的細胞外囊泡(Extracellular vesicle,EV)。細胞內體-溶酶體途徑中的多囊泡體(Multivesicular body, MVB)內陷會形成腔內囊泡(Intraluminal vesicle,ILV)。包含ILV的MVB在囊泡運輸相關蛋白的作用下,會與細胞膜融合將ILV釋放,釋放的ILV即為外泌體。
圖1 外泌體示意圖
外泌體雖小,但是“五臟俱全”。研究發(fā)現(xiàn),外泌體可以包裹攜帶RNA,DNA,蛋白質、脂質等多種信號分子,其表面膜上還有豐富的抗原表達,是一種新型的細胞間信號傳遞的媒介。無論原核生物還是真核生物,無論何種體液和細胞類型,均存在豐富的外泌體。越來越多的文獻表明,外泌體可以起到細胞間信號分子傳遞的作用,從而調控許多生理病理過程。
02 外泌體如何發(fā)揮生物學效應?
外泌體可以通過多種方式發(fā)揮其生物學效應:
通過外泌體表面蛋白或者有生物活性的脂質配體與受體細胞的表面受體結合,調控下游信號轉導;
與受體細胞的細胞膜融合,將功能性內容物(轉錄因子,致癌基因,調節(jié)性非編碼RNA,mRNA,感染性分子等)導入受體細胞,調控其功能。
受體細胞通過胞飲或者吞噬作用將外泌體吸收,外泌體內容物在受體細胞中釋放,從而影響受體細胞的功能。
圖2 外泌體生成過程及發(fā)揮作用的方式
03 外泌體在疾病中扮演的角色?
外泌體在疾病發(fā)生的分子機制、疾病的診斷和治療中發(fā)揮了重要的作用。以腫瘤為例,研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞來源的外泌體可以被器官特異性的細胞所吞噬,形成前轉移灶,來引導腫瘤細胞的定植和轉移;蛋白多糖Glypican-1富集的外泌體在胰 腺癌病人血液中明顯增多,可以作為胰 腺癌病人早期液體活檢的潛在生物標志物;將外泌體作為靶向KrasG12D的給藥載體可以顯著抑制小鼠胰 腺癌,并且提高生存率。
除此之外,在感染性疾病和神經(jīng)退行性疾病等多種疾病過程中,外泌體均可以調控其病理過程,是潛在的新型治療干預靶點。另外,未經(jīng)修飾改造或者工程化改造生產(chǎn)的外泌體也可以作為大分子藥物的給藥載體。
04 外泌體如何應用于藥物開發(fā)?
1. 干預疾病發(fā)生相關的外泌體
外泌體可以介導多種疾病的病理過程,調控疾病相關外泌體可以起到緩解或者治療疾病的作用,這可以通過干預相關外泌體的生成、釋放、攝取以及功能性內容物來實現(xiàn)。
2. 治療性外泌體作為藥物
由于外泌體富含生物活性物質,其本身就有一定的治療潛力。例如干細胞來源的外泌體,具有促進血管新生,抑制細胞凋亡,促進細胞增殖,釋放免疫調節(jié)物質等功能,在再生醫(yī)學領域有一定的應用價值。
3. 外泌體作為給藥載體
外泌體可以攜帶RNA,DNA,蛋白質等信號分子,因此可以作為治療性生物大分子的給藥載體。例如外泌體可以作為治療性核酸藥物的給藥載體,將mRNA、miRNA等傳遞到靶細胞,從而調控目的基因的表達,來起到治療作用。與以往的非病毒給藥載體相比,外泌體作為給藥載體,有較高的生物相容性和較低的免疫原性,可以由病人自體細胞培養(yǎng)獲得,并且能夠通過血腦屏障。
05 外泌體作為藥物的優(yōu)勢?
外泌體療法作為一種新的治療方式,為當前一些難治疾病的治療或者難以成藥靶點的藥物開發(fā)帶來一些新的機會。外泌體由細胞分泌,本身就含有豐富的生物活性物質。有研究表明,干細胞來源的外泌體也能發(fā)揮促進細胞再生或修復的能力。這樣就可以代替干細胞發(fā)揮作用,從而避免干細胞治療帶來的免疫排斥和致癌風險。外泌體膜表面有組織特異性抗原的表達,這為器官、組織或者細胞靶向性的藥物開發(fā)提供了生物學基礎。復雜的膜組分可以讓外泌體通過表面的蛋白相互作用,或者進入靶細胞來發(fā)揮作用,這使得藥物的作用方式更加多元化。另外,外泌體有很低的免疫原性,不會引起免疫系統(tǒng)的不良反應,可以重復給藥,并且能無創(chuàng)性地通過許多組織屏障(例如血腦屏障等)。
06 外泌體藥物產(chǎn)品和公司有哪些?
目前所有的外泌體產(chǎn)品(部分產(chǎn)品只標明為EV,此處一并統(tǒng)計)均為在研產(chǎn)品,總計25項?,F(xiàn)有產(chǎn)品大部分處于早期研發(fā)階段,僅有United Therapeutics Corporation的一個產(chǎn)品進入了Phase 1。
表1 外泌體藥物產(chǎn)品一覽
表格來源:根據(jù)數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡資料整理
其中直接將外泌體作為治療藥物的共9項,其余16項將外泌體作為給藥載體?,F(xiàn)在尚無將干預疾病相關外泌體生成作為成藥策略的產(chǎn)品。這可能是由于外泌體調控疾病的機制復雜,特異性靶點尚不明確。
圖3 產(chǎn)品階段與成藥策略的構成(數(shù)字代表產(chǎn)品數(shù)量)
外泌體產(chǎn)品的適應癥主要集中于癌癥(占比32%)和神經(jīng)系統(tǒng)疾?。ㄕ急?5%)。
圖4 外泌體藥物主要適應癥分布(數(shù)字代表產(chǎn)品數(shù)量)
涉足外泌體領域的公司共有14家,其中13家為生物技術公司,1家為醫(yī)藥企業(yè),約一半來自美國。以外泌體相關產(chǎn)品作為主營業(yè)務的共有7家,占50%的比例。目前生產(chǎn)外泌體的細胞絕大部分是干細胞,所以提供干細胞技術與服務的公司也開始將外泌體作為自己的產(chǎn)品線。這類公司共有4家,約占30%。剩余20%的公司專注于細胞治療等方向,將外泌體作為產(chǎn)品布局上的補充和分支。
表2 外泌體領域公司一覽
由于外泌體是新興的治療方式和手段,所以該領域的公司大部分為初創(chuàng)公司,占比約65%。絕大部分的公司產(chǎn)品單一,超過兩項以上的只有Codiak BioSciences,The Cell Factory和Avalon GloboCare三家。根據(jù)主營產(chǎn)品是否為外泌體,以下將分為外泌體技術公司與非外泌體技術公司,對該領域的公司及其產(chǎn)品進行介紹。
07 外泌體技術公司及其產(chǎn)品
Codiak BioSciences是一家 的外泌體藥物公司,致力于設計、工程化改造并大規(guī)模生產(chǎn)臨床應用級別的外泌體,用于外泌體介導的藥物遞送以及精準治療。它擁有用于外泌體設計和生產(chǎn)的核心專利平臺engEx?,可以生產(chǎn)出工業(yè)級別和規(guī)模的外泌體。
engEx?平臺主要有兩種方式來工程化改造和生產(chǎn)治療性外泌體:外源藥物裝載和生產(chǎn)細胞改造。外源藥物裝載利用電穿孔等技術,將藥物裝載進入分離純化的外泌體中,從而得到治療性外泌體。生產(chǎn)細胞改造是直接對生產(chǎn)外泌體的細胞進行分子生物學改造,從而使該細胞生產(chǎn)的外泌體在其表面或者內部攜帶治療性的分子。例如使外泌體過表達PTGFRN (exosome-specific protein transmembrane glycoprotein),可以使其表面表達大量的結構或者功能各異的蛋白,包括肽類、抗體片段等等。
Codiak BioSciences擁有外泌體領域最大的研發(fā)管線,共有在研產(chǎn)品8項,主要應用于腫瘤免疫、自身免疫病等方向。目前,其所有產(chǎn)品均處于研究或者臨床前階段,其中exoSTINGTM和exoIL-12TM預計在2020年將開展臨床試驗。在研產(chǎn)品主要分為兩類:裝載反義寡核苷酸的外泌體(exoASO?)和表達抗體的外泌體。裝載反義寡核苷酸的外泌體是RNAi技術的給藥載體,可以用于沉默靶細胞基因的表達?,F(xiàn)有的exoASO?產(chǎn)品可用于STAT6、 CEBP?、 NRAS和STAT3等基因表達的沉默,從而發(fā)揮抗腫瘤的作用。另外exoCD-3產(chǎn)品是表達CD3抗體的外泌體,用于靶向T細胞并抑制其活化,緩解自身免疫。
The Cell Factory是Esperite Group的全資子公司,旗下共有在研外泌體產(chǎn)品4項。該公司正在開發(fā)annexin V增強型的臨床級的間充質干細胞來源的EV,用于治療炎癥性疾病,包括支氣管發(fā)育不良、克羅恩病、中風癲癇等。The Cell Factory有用于大規(guī)模生產(chǎn)超純EV的專利技術,符合GMP標準。體內體外不同的實驗模型顯示,annexin V可以增強臨床級EV的抗炎以及抗免疫原性。其產(chǎn)品CF MEV 107可以抑制B細胞的增殖,分化以及抗體的產(chǎn)生,也可以誘導活化的T細胞的凋亡,促進調節(jié)性T細胞的增多。
ArunA Biomedical是一家專注于利用外泌體治療神經(jīng)退行性疾病的生物醫(yī)藥公司,它有超過12年的神經(jīng)干細胞生產(chǎn)和供應經(jīng)驗,并且是第一家商業(yè)化應用神經(jīng)干細胞的公司。該公司致力于利用自身平臺生產(chǎn)神經(jīng)干細胞來源的外泌體,為合作伙伴提供RNA、抗體、小分子等物質的給藥載體。ArunA Biomedical有較為成熟的神經(jīng)干細胞培養(yǎng)生產(chǎn)平臺,這也是其大規(guī)模生產(chǎn)臨床級神經(jīng)干細胞外泌體的基礎。ArunA Biomedical的主要產(chǎn)品AB 126是一類神經(jīng)干細胞外泌體。AB 126通過增強神經(jīng)系統(tǒng)的自身修復機制,用于中風的治療。該產(chǎn)品目前在美國進行臨床前研究,相關研究數(shù)據(jù)顯示:在嚙齒動物血栓中風模型中,相比于間充質干細胞外泌體,神經(jīng)干細胞外泌體可以改善細胞及組織功能,并增加循環(huán)調節(jié)性T細胞的數(shù)量,從而促進腦損傷處的髓鞘再生。運動機能實驗也顯示,神經(jīng)干細胞外泌體有緩解作用。該公司計劃于2021年進行AB 126的新藥申請(IND),但其具體的作用機制和靶點目前并不明確。
Evox Therapeutics是一家利用外泌體作為給藥載體的生物技術公司,專注于罕見病的治療。該公司宣稱,其專利技術平臺DeliverEXTM可以對外泌體進藥物裝載,并實現(xiàn)器官靶向給藥。其研發(fā)管線聚焦于先天性代謝疾?。òㄈ苊阁w貯積病等)和神經(jīng)肌肉疾病。Evox Therapeutics目前正在開發(fā)基于外泌體的多肽療法,用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療,其針對杜氏肌營養(yǎng)不良和感染的早期研究也正在英國開展。2017年11月,該公司和Boehringer Ingelheim簽署合作協(xié)議,開發(fā)外泌體介導的RNA給藥療法,但是相應的靶標和適應癥并未公開。
NeurExo Sciences利用亨利福特醫(yī)療集團的專利技術,開發(fā)包含miRNA的外泌體,用于治療中風、腦損傷等。臨床前研究數(shù)據(jù)顯示,外泌體可以緩解化療引起的外周神經(jīng)病變,并增強鉑類藥物的抗腫瘤作用。該外泌體與鉑類藥物聯(lián)用可以顯著減少約80-91%的腫瘤體積,單用鉑類藥物僅能抑制約50-72%的腫瘤生長。
Tavec Pharmaceuticals致力于工程化開發(fā)miRNA載藥的外泌體,用于腫瘤基因治療。該公司產(chǎn)品TVC201 是外泌體介導的miRNA療法,用于治療膽管癌、肝癌以及其他肝病。Tavec的外泌體技術可以將特異性的miRNA直接釋放到到腫瘤細胞,用于膽管癌的治療。該技術源于約翰霍普金斯大學開發(fā)的基質細胞外泌體制備方法。該方法制備的外泌體具有低**,可以特異性地將腫瘤抑制分子傳遞到腫瘤部位,抑制腫瘤生長,延長生存時間。
AEGLE Therapeutics專注于外泌體在內的細胞外囊泡的新藥研發(fā),利用同種異體的骨髓間充質干細胞來源的外泌體,治療皮膚疾病。2019年5月,F(xiàn)DA批準了其產(chǎn)品AGLE 103新藥臨床試驗申請。2019年11月,AEGLE Therapeutics計劃針對營養(yǎng)不良性大皰性表皮松解癥開展phase I/IIa臨床試驗(NCT04173650)。AGLE 103是間充質干細胞來源的EV,用于治療包括大皰性表皮松解癥在內的嚴重的皮膚病。大皰性表皮松解癥患者不能產(chǎn)生collagen type VII,因此微小的摩擦就造成皮膚起泡。AGLE 103胞外囊泡將collagen type VII和collagen type VII RNA傳遞到患者的成纖維細胞處。吞噬了胞外囊泡的成纖維細胞可以產(chǎn)生collagen type VII,從而緩解相應的癥狀。該公司利用其核心的EV分離技術,可以工程化地生產(chǎn)出治療性EV,并且沒有異種細胞增殖和移植的風險。
08 非外泌體技術公司及其產(chǎn)品
Avalon GloboCare公司是一家國際化的生物技術開發(fā)商和醫(yī)療保健服務提供商,其外泌體產(chǎn)品主要包括AVA202和AVA203。AVA202是Avalon GloboCare和Weill Cornell Medicine聯(lián)合開發(fā)的內皮細胞來源的促進血管新生的外泌體。2019年7月,臨床前數(shù)據(jù)顯示,AVA202能使組織再生,并促進血管生成以及創(chuàng)傷修復。AVA203則是間充質干細胞來源的外泌體,用于治療肝纖維化和肺纖維化。目前兩個產(chǎn)品都正在計劃進行IND申請相關研究。另外,Avalon GloboCare與上海市第九人民醫(yī)院建立了聯(lián)合實驗室進行再生外泌體組研究,加速診斷和治療應用的開發(fā),特別是在塑形重建手術、傷口愈合、護膚和外泌體生物信息學等方面。
美國聯(lián)合治療公司United Therapeutics Corporation的產(chǎn)品UNEX-42是骨髓間充質干細胞來源的EV,是目前進展最快的外泌體產(chǎn)品。2019年6月該產(chǎn)品在美國開展支氣管發(fā)育不良一期臨床試驗(新生兒)(NCT03857841),共招募約18名病人,進行有安慰劑對照的、隨機的以及劑量爬坡研究,以評價其安全性。
瑞典生物技術公司AlligatorBioscience長期致力于腫瘤免疫療法與相應抗體的研發(fā),2019年9月在瑞典開始進行其外泌體藥物4224的臨床前實驗。Alligator Bioscience運用自己提出的RUBY? format來開發(fā)抗體。4224是腫瘤外泌體轉化的雙特異性抗體,靶向CD40和EpCAM,用于癌癥治療。4224可以激活樹突狀細胞,并且促進其吞噬腫瘤來源的外泌體。吞噬腫瘤外泌體的DC細胞會將腫瘤抗原遞呈給T細胞,并使之激活,從而殺傷腫瘤細胞。
2018年7月,專注于罕見病新藥研發(fā)的Capricor Therapeutics和美國陸軍外科研究所簽署協(xié)議,共同開發(fā)外泌體產(chǎn)品CAP 2003,用于創(chuàng)傷治療。該技術獲得Cedars-Sinai Medical的知識產(chǎn)權獨占許可。該產(chǎn)品外泌體提取于心肌球來源細胞(CDCs),富含多種脂質、蛋白以及RNA。2018年8月公布的臨床前研究數(shù)據(jù)顯示,CAP 2003可以調控巨噬細胞的極化,引起抗炎反應和促再生反應,并提高T細胞的免疫調節(jié)作用。另外,杜興氏肌肉營養(yǎng)不良癥小鼠模型數(shù)據(jù)顯示,CDC來源的外泌體具有改善作用。
Stem Cell Medicine正在開發(fā)外泌體療法,用于治療包括自閉癥在內的神經(jīng)退行性以及**類疾病。該療法基于間充質干細胞來源的外泌體,采用鼻飼給藥技術。由以色列特拉維夫大學Tel Aviv University授權進行開發(fā)。
費森尤斯醫(yī)療是全球最大的透析產(chǎn)品和服務供應商,2018年7月宣布旗下子公司Unicyte AG慢性腎病的再生醫(yī)學項目中取得了臨床前研究的里程碑結果。Unicyte AG是再生醫(yī)學領域的干細胞技術公司,其產(chǎn)品納米胞外囊泡Nano-EVs在慢性腎病的臨床前模型中具有疾病治療的潛力。
CellTex Therapeutics是一家提供個人“干細胞銀行”服務的生物技術公司。該公司和德州農(nóng)工大學共同開發(fā)自體間充質干細胞來源外泌體,用于治療阿爾茲海默癥。分離獲得的間充質干細胞來源的抗炎外泌體,會將抗炎物質傳遞到腦部,以緩解腦部損傷,修復阿爾茲海默癥相關的神經(jīng)損傷。
09總結與未來展望
外泌體作為一種新型細胞間通訊的方式,受到了科研界的廣泛關注。利用外泌體的固有特性和優(yōu)勢,來進行藥物開發(fā)的研究也越來越多,但是也存在許多問題。比如,外泌體的生成、分泌機制尚不明晰,其亞群體的區(qū)分和功能研究較少。另外,外泌體內容物豐富且復雜,找到其發(fā)揮功能作用的信號分子也存在難度。
從產(chǎn)業(yè)化角度來看,部分企業(yè)已經(jīng)掌握了工業(yè)化生產(chǎn)和分離純化外泌體的技術,這為外泌體產(chǎn)品走向臨床應用奠定了基礎?;谕饷隗w的治療方案體現(xiàn)了精準治療的理念,但是代表這一水準的外泌體定向改造技術僅有少部分公司掌握。另外,如何更好地將外泌體技術與現(xiàn)有治療技術進行結合,發(fā)揮外泌體治療的優(yōu)勢也值得進一步思考。例如,使用干細胞外泌體代替干細胞進行治療,將外泌體作為CRISPR-Cas9的給藥載體等等。
隨著外泌體研究更加深入,相關技術更加成熟,資本投入更加充足,可以想見,外泌體技術一定能在藥物治療的格局中找到自己不可替代的地位。
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