肿瘤细胞来源的外泌体内容物在肿瘤发生发展中的作用

任邑昆，王莹莹，方家瑞，马珊珊，关方霞

郑州大学生命科学学院 郑州 450001

肿瘤发病机制复杂，早期诊断困难，病程进展快，严重威胁着人类生命安全，是当前亟待解决的医学难题。肿瘤细胞与周围细胞之间的信息传递与交流调控肿瘤的发生和发展。外泌体是细胞间信号传递的重要载体之一。各类细胞能够分泌形态、大小、含量和功能不同的细胞外囊泡。细胞外囊泡又可根据大小、来源和分离方法分为3类：微囊泡、凋亡小体和外泌体[1]。1983年，Pan和Johnstone[2]发现在绵羊网织红细胞成熟过程中，转铁蛋白受体向胞外的释放与一种小囊泡的转运有关。1989年，Johnstone将这种直径为30～100 nm的功能性细胞外囊泡定义为外泌体[3]。外泌体可来源于多种类型细胞，如血细胞、内皮细胞、免疫细胞、平滑肌细胞和干细胞等。由肿瘤细胞分泌的外泌体即为肿瘤细胞来源的外泌体(tumor-derived exosome，TDE)。

TDE内容物种类繁多且含量丰富，主要包括蛋白质、miRNA、mRNA、DNA和脂质等，参与肿瘤细胞间的信息传递和物质交换，在肿瘤发生和发展中发挥重要作用。TDE内容物与其来源细胞高度相似，不同类型肿瘤细胞TDE内容物的种类和表达水平也存在较大差异,能够提供有关肿瘤基因型、诊断和治疗的相关信息。目前TDE已成为肿瘤研究热点，本文综述了TDE内容物与肿瘤发生发展的关系。

1 TDE内容物与肿瘤诊断

TDE可以在包括唾液、尿液和血液在内的各种体液中检测出来。与循环肿瘤DNA(circulating tumor DNA,ctDNA)和循环肿瘤细胞(circulating tumor cell，CTC)相比，循环TDE可能是一种更准确和敏感的肿瘤体液活检诊断指标[4]。

TDE中的蛋白质具有成为肿瘤诊断标志物的潜力。TDE表面整合素包装的特异性决定了其受体器官的特异性，如α6β4和α6β1整联蛋白在肺转移的乳腺癌TDE中含量最高，而肝转移的胰腺癌TDE中则富含整联蛋白αvβ5。这表明TDE表面整合素的包装在决定肿瘤转移位置方面发挥了重要作用，因此可以作为肿瘤转移的标志物[5]。Melo等[6]发现胰腺癌TDE高表达细胞表面蛋白聚糖Glypican-1，它可以在血清中直接被检测到，是一种高度敏感的胰腺癌标志物。此外，血清中Glypican-1+外泌体水平也与胰腺癌的预后密切相关[6]。Mousavi等[7]的研究结果表明，结直肠癌TDE可同时高表达癌胚抗原和上皮细胞黏附分子；通过检测TDE膜表面抗原诊断结直肠癌，操作简便且灵敏度高。

TDE中的miRNA和mRNA也具有成为肿瘤诊断标志物的潜力。对脑脊液TDE中miRNA的分析结果[8-9]表明，miR-21可作为胶质母细胞瘤复发或转移的标志物。Goto等[10]利用实时荧光定量PCR技术检测发现，血清TDE中的miR-191、miR-21和miR-451a可作为胰腺癌和导管内乳头状黏液性肿瘤的标志物。越来越多的研究[11]发现尿液TDE中的miRNA也与肿瘤密切相关，miR-21和miR-21-5p被认为是前列腺癌和膀胱癌的诊断标志物。Fu等[12]的研究发现，血液TDE中的miR-17-5p和miR-92a-3p表达水平与结直肠癌病理分期和分化等级相关，可成为原发性和转移性结直肠癌的预后标志物。汪晓华等[13]的研究结果表明，肝癌TDE中抑癌小分子miR-141的表达降低，而miR-25表达升高，miR-25和miR-141联合检测可用于肝癌的诊断。Zhou等[14]在肺癌患者的血浆外泌体中发现6种miRNA(miR-19b-3p，miR-21-5p，miR-221-3p，miR-409-3p，miR-425-5p和miR-584-5p)的组合，可用于肺腺癌的早期诊断。Lin等[15]在肺炎和肺癌患者胸腔积液外泌体中发现了27种差异表达的miRNA，其中miR-205-5p和miR-200b在肺癌细胞中的表达上调，表明这两种miRNA可能具有区分肺癌和肺炎的潜力。Cui等[16]发现在晚期非小细胞肺癌患者血清TDE中miR-146a-5p表达水平降低与较高的复发率相关。Yu等[17]发现血清外泌体中的细胞周期蛋白依赖性激酶6(CDK6)和ras同源家族成员U(RHOU) mRNA分子可作为诊断无功能垂体腺瘤侵袭性的标志物，两者联合可提高诊断的准确率、特异度和精度。

2 TDE内容物与肿瘤的发生发展

TDE可通过自分泌、旁分泌和内分泌等方式参与细胞间信号的交换和传递。目前已有大量研究证实外泌体在生物体的生理和病理过程中发挥着重要作用。由于肿瘤细胞性质、肿瘤分期和TDE内容物的不同，TDE在肿瘤发生发展过程中发挥了不同的调控作用。

2.1 蛋白质TDE中的蛋白质具有免疫调节作用，但是由于肿瘤细胞类型及其所处肿瘤微环境的不同，TDE对免疫反应的调控作用并不一致。TDE携带有免疫抑制和免疫刺激的受体或配体，能够部分模拟亲本肿瘤细胞的特征。TDE作为细胞间信息传递的使者，具有重编程免疫和非免疫细胞的功能，从而传递促肿瘤或抗肿瘤信号[18-24]。人类实体瘤TDE具有免疫抑制的特点，使癌细胞能够逃离宿主免疫系统的追杀。TDE可以通过呈递抑制分子(如PD-L1或FasL)抑制T细胞的活化、增殖，或促进T细胞凋亡，从而直接抑制效应T细胞[18-21]。暴露于TDE的衍生因子(如转化生长因子β)也可以抑制效应T细胞并刺激调节性T细胞，从而在肿瘤微环境中抑制效应T细胞的抗肿瘤活性[22]。

TDE中的蛋白质具有促进肿瘤细胞增殖的作用。首先，肿瘤细胞需要从血管中获取生长所需的大量营养物质和氧分子，TDE中的一些蛋白质成分可通过调控相关信号通路促进血管生成。例如，富含TSPAN8和整联蛋白亚基α4的TDE通过上调血管生成相关基因，加速了内皮细胞的增殖和血管的生成[23]。Tang等[24]的研究发现卵巢癌TDE高表达E-钙黏蛋白，可激活β-catenin和NF-κB信号通路，促进血管生成。TDE表面的NOTCH配体Delta-like 4还能够增加血管密度和体内分支[25]。其次，TDE中的一些细胞因子可直接调控肿瘤细胞的生长。Raimondo等[26]发现慢性粒细胞白血病TDE富含TGF-β1，该因子能够与白血病细胞上的TGF-β1受体结合，激活ERK、AKT和抗凋亡途径，从而促进肿瘤细胞的生长。

TDE中的蛋白质还具有促进肿瘤侵袭和迁移的作用。研究[27-28]表明TDE可以将肿瘤细胞表面的表皮生长因子受体(EGFR)转移至其他肿瘤细胞或内皮细胞，促进神经胶质瘤细胞的增殖和存活，诱导人皮肤鳞状细胞癌中的血管生成，从而促进肿瘤的生长和转移。EGFR配体也可通过外泌体在细胞间传递，从而提高肿瘤的转移效率。例如，一项对人乳腺癌和结肠癌TDE的研究[29]发现双调蛋白(一种EGFR配体)能够增加周围肿瘤细胞的侵袭性。

2.2 miRNA在TDE内容物的核酸成分中，目前研究最多的是miRNA。miRNA是一类由17～24 nt组成的非编码小RNA，通过与靶mRNA的3’非翻译区或开放阅读框结合，介导转录后基因沉默；其表达水平会随生理或病理条件的改变而变化。

TDE中的miRNA具有促进肿瘤转移的作用。Li等[30]的研究表明，缺氧的口腔鳞状细胞癌TDE可将miR-21传递给常氧细胞，促进肿瘤转移。Jung等[31]发现TDE中的miR-210可从低氧乳腺癌细胞向邻近细胞转移，调控血管重塑相关基因(如Ephrin A3和PTP1B)的表达，促进血管生成，从而促进肿瘤的进展。Zhou等[32]的研究发现，转移性乳腺癌TDE中的miR-105可通过靶向紧密连接蛋白ZO-1，破坏血管内皮屏障，促进肿瘤转移。前列腺癌TDE中的miRNA可诱导成纤维细胞的活化、迁移，以及血管的生成和成骨细胞的分化，从而促进骨转移前微环境的形成[33]。结肠癌TDE中的miR-1245可将巨噬细胞重编程为转化生长因子β高表达的肿瘤相关巨噬细胞，促进肿瘤的生长和转移[34]。在脑转移瘤中，星形胶质细胞来源的外泌体可将miR-19a转移至乳腺癌细胞，使抑癌基因PTEN的表达降低，从而导致趋化因子2的分泌和Iba1+髓细胞的募集和增殖，最终促进乳腺癌的脑转移[35]。

TDE中的miRNA还具有调节肿瘤代谢的作用。Tomasetti等[36]发现肺癌TDE富含mRNA、miRNA和促炎蛋白，这些内容物可促进肿瘤细胞炎症表型的表达和增殖。外泌体中的miRNA逐渐成为包括细胞代谢在内的细胞功能新型调节剂。最近的研究[37-38]显示具有调节血管生成作用的miR-126还可以通过靶向胰岛素受体底物1来控制肿瘤细胞的代谢。Mouaco等[39]的研究发现，由TDE介导的内皮细胞中miR-126的表达上调能够抑制肾上腺髓质激素的表达，从而抑制血管的生成。

2.3 mRNA通常，外泌体中除miRNA外还包含大量mRNA及其他核酸分子。Valadi等[40]证明外泌体能够在肥大细胞之间传递mRNA。因此，mRNA也被认为是外泌体发挥功能的关键物质。Yokoi等[41]的研究发现卵巢癌TDE在体外和体内均可将基质金属蛋白酶1 mRNA转移至间皮细胞，诱导腹膜间皮屏障的破坏并促进癌症扩散。杨佳兴等[42]发现肝细胞癌患者与正常人的血清外泌体中mRNA表达特征存在较大差异，可能与肝细胞癌的发生、发展和转移密切相关。

2.4 DNAThakur等[43]通过酶学方法和物理/结构研究证明TDE中存在双链DNA，而且TDE中的DNA可用于亲本肿瘤细胞突变的鉴定。由于DNA是遗传信息的载体，TDE中的DNA可能具有防止其来源细胞衰老和凋亡的作用。Takahashi等[44]的研究发现外泌体形成和分泌的阻断会导致原代人成纤维细胞衰老，胞质内核DNA片段的积聚，并引发ROS依赖的DNA损伤反应，从而导致不可逆的细胞周期停滞和细胞凋亡。Sansone等[45]的研究发现，TDE能够包装大量的线粒体DNA，通过刺激氧化磷酸化使受体癌细胞脱离代谢休眠状态。

2.5 脂质TDE是由其来源细胞通过出芽的方式形成的，其包膜也是脂质双层膜，脂质成分与其来源细胞高度相似。外泌体膜包含多种脂质，如磷脂酰乙醇胺、二酰基甘油酯、神经酰胺、磷脂酰丝氨酸、双磷脂酸、胆固醇和鞘磷脂等。其中，胆固醇、鞘磷脂、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇还具有提高外泌体膜硬度的作用[46]。除了生物膜结构中的脂质成分，TDE中还含有一些生物活性脂质，如前列腺素和白三烯[46-48]，提示含有肿瘤进展相关脂质的TDE在肿瘤进展中可能具有潜在作用。

3 TDE与肿瘤的治疗

目前，利用细胞工程技术对TDE表面进行化学修饰或人为调节其中内容物的种类和含量是一个颇有前景的肿瘤治疗方向。研究[49]发现靶向配体修饰(Lamp2b和肿瘤靶向整联蛋白)的TDE可将Dox特异性地递送至肿瘤细胞，从而抑制肿瘤生长。Kamerkar等[50]将来自正常成纤维细胞样间充质细胞的外泌体设计为携带靶向致癌基因Kras的siRNA或shRNA的iExosomes，iExosomes可抑制小鼠胰腺导管腺癌的生长，并增加总体生存率。最近的研究[51]显示TDE表面的PD-L1也参与了肿瘤细胞的免疫逃避；抑制TDE中的PD-L1并同时进行PD-L1抗体治疗，获得了良好的抗肿瘤免疫治疗效果。此外，TDE还可以作为天然的治疗药物转运工具，通过包载miRNA、siRNA、shRNA、抗炎剂(姜黄素等)和抗肿瘤制剂(如阿霉素和紫杉醇等)，明显提高抗肿瘤效果[7]。

TDE中的miRNA具有调节肿瘤耐药性的作用。研究[52-53]显示TDE中的miR-30a、miR-222和miR-100-5p可能通过MAPK或mTOR途径诱导药物敏感性细胞产生耐药性。Binenbaum等[54]的研究发现，巨噬细胞来源的外泌体可通过转移miR-365激活胞苷脱氨酶，降低胰腺癌细胞对吉西他滨的敏感性。Wang等[55]的研究发现，TDE中miR-155-5p的传递可能诱导抗紫杉醇的胃癌细胞向敏感细胞转化，因此靶向miR-155-5p可能是克服胃癌细胞紫杉醇耐药的一种有前途的策略。

4 展望

TDE中含有蛋白质、miRNA、mRNA、DNA和脂质等丰富的内容物，在肿瘤的早期诊断、发生发展和治疗中发挥着重要作用。但由于现有研究在实验材料、研究方法等方面存在差异，对单一外泌体内容物的检测易出现假阳性结果，因此TDE的临床应用和推广还有很长一段路程要走。为了提高外泌体内容物检测技术的准确性，未来可以重点开发多种外泌体内容物联合检测的技术方法，以便将外泌体相关研究更好地应用于肿瘤的早期诊断、治疗和预后预测等过程。