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外泌体,掀起药物研发下一波热潮

2021-03-23

 
在短短几年时间里,外泌体作为一种递送药物的安全有效解决方案,以及再生医学的新工具,已经开始得到认可。
 

外泌体的横截面。外泌体被设计带有特定的表面蛋白并装载选定药物(来源:LABIOTECH.eu官网)

2013年,发现“细胞囊泡运输调控机制”的科学家荣获了诺贝尔生理学或医学奖,这一重大发现也开启了外泌体研究的热潮。

 

外泌体于1983年首次在体外培养的绵羊红细胞上清液中被发现,它是由细胞分泌的一种细胞外膜状脂质囊泡,大小在40 nm至100 nm之间,体积小,结构简单,在细胞间物质运输和信号交流中发挥重要作用。人体的几乎所有细胞都会分泌外泌体,血液、唾液、脑脊液、母乳等体液中都有外泌体的分布。

 

通过长久以来不断进化,大自然创造并优化了这些“纳米胶囊”,用于在人体各组织间传递分子。如今,外泌体在生物技术方面的潜力受到了重视。虽然目前还没有获得许可的外泌体疗法,但在过去五年里,全球涌现出许多公司来开发这些纳米囊泡。

 

天然的药物递送载体

  

从小分子到核酸再到蛋白质,药物的设计和效力在过去几十年中不断取得进展。但一个关键问题仍然有待解决:如何才能最有效地将它们运送到靶细胞?

 

传统的给药方式包括合成脂质纳米颗粒和病毒载体,目前它们分别被用于BioNTech/Pfizer和Oxford/Astrazeneca的COVID-19疫苗,以及许多蛋白质、RNA和基因疗法。但是这两种方法都有局限性,包括它们能到达的身体区域,能到达的组织内细胞数量,以及避免触发有害免疫应答的能力。简单、安全、广泛适用的递送工具仍然难得一遇。因此,外泌体作为药物递送手段的潜力引起了业界极大的兴趣。

 

在这一领域,成立于2016年,总部位于英国牛津的Evox Therapeutics公司是领头羊。Evox的首席执行官Antoninde Fougerolles说:“我们的创始人之一,牛津大学的Matthew Wood教授是第一个想到利用外泌体作为运送药物手段的人。他将小干扰RNA药物装入外泌体中,然后设计外泌体表达一种表面蛋白质,以选择性引导它们通过血脑屏障进入小鼠的中枢神经系统。”

 

该公司科学家的进一步研究表明,同样的方法也可以用于核酸以外的其他治疗药物,包括酶和抗体。

 

de Fougerolles说:“有了外泌体,我们就有可能将任何药物输送到各种各样的组织中,因此选择的范围相当广泛。不过这同时对于挑选靶向哪种疾病又是一种挑战。我们选择了一些确切知道需要递送什么可以纠正疾病状态的罕见代谢性疾病,如尿素循环障碍和那些没有治疗方法或标准治疗效果极不理想的疾病。”

 

外泌体在大小和功能上与合成的纳米颗粒类似,但作为天然内源性转运载体,具有毒性低、无免疫原性、渗透性好等优势。值得一提的是,与病毒载体和脂质纳米颗粒等其他递送方法相比,外泌体的一个关键优势是可以精确地递送有效载荷,而不激活先天或后天免疫系统。这使得重复给药更加容易,因为患者在第一次治疗后不会获得对运载工具的免疫力,该问题也是近年来mRNA和基因治疗遇到的主要障碍。

 

“我们不太清楚所有的细节,但本质上,大自然在数百万年的时间里设计了这种机制,使其高效、安全地在细胞间交换RNA和各种蛋白质,这是一个基本的优势。最重要的是,我们实际上可以把不同种类的‘货物’混合到同一个外泌体中。这意味着,如果想要递送一种蛋白质、一种mRNA和一种siRNA,我们可以利用一个外泌体完成这一切。” Fougerolles解释说。

 

2月18日,Evox Therapeutics在C轮融资中筹集了8000万欧元。去年,该公司与武田和礼来建立了主要合作伙伴关系,将其主要候选产品推向临床,专注于可用装载蛋白质或RNA的外泌体治疗的罕见疾病。该公司计划在2022年开始早期临床试验,加入美国Codiak Biosciences公司行列,Codiak是在2020年底启动了工程外泌体疗法的首次临床试验。

 

再生医学的新工具

 

来源于特定细胞类型的外泌体除了具有作为药物递送载体的固有适用性外,还可以被设计以刺激组织的生长和修复,使其在再生医学领域具有极大的应用前景。虽然这一领域传统上专注于细胞疗法,但外泌体的生物学复杂性要低得多,可以使再生医学的应用变得更容易。

 

“外泌体是一个非常好的机会,它们能简化细胞治疗的许多瓶颈。例如,更简单的物流、更容易的储存条件、现货型产品……”致力于外泌体再生应用的葡萄牙生物技术公司Exogenus Therapeutics创始人兼CEO Joana Simões Correia说道。

 

Exogenus成立于2015年,最初专注于使用凝胶形式的外泌体疗法来愈合皮肤伤口,后来开始扩张,并转向使用吸入的外泌体再生肺组织,这在很大程度上是由于COVID-19疫情的爆发。

 

他们的方法包括从脐带血细胞中提取天然的外泌体,其中预先载有一种主要是small RNA的再生物质混合物。正常情况下,脐带血在出生后不久就会被丢弃,Exogenus与多家葡萄牙医院合作,通过让父母捐献这些血液来生产再生外泌体。

 

Simões Correia表示:“外泌体没有引发免疫反应的分子。因此,我们将拥有一种现货型产品,它独立于供者,可以应用于任何宿主或任何患者。我们现在真正投入大量精力的是呼吸道炎症性疾病领域。下一步将是证明这些外泌体有可能解决炎症,不仅是针对COVID-19相关的疾病,还针对其他肺部疾病。”

 

Exogenus预计将在年底前收集必要的数据,同时还计划进行A轮融资,为2022年开始临床试验提供资金。

 

掌握外泌体制造

 

虽然许多外泌体生物技术公司,比如Evox和Exogenus都有自己的专用的细胞系和制造工艺,但外泌体领域向更小、更新的玩家开放的潜力巨大,这可以通过开发一种易于放大、产量高的外泌体制造工艺来实现。

 

总部位于巴黎的EVerZom就提出了这样的一种方法:通过改造一个生物反应器来诱导“ turbulence stimulation”,这是一种引发细胞大量产生外泌体的压力环境。

 

EVerZom的首席运营官兼联合创始人Nicolas Rousseau说:“自然释放等常规方法是让细胞正常生活,它们会不断释放一些外泌体,但是产量很低。使用过的最传统的方法还是饥饿——停止给细胞喂食,因为这种压力,它们会释放更多的外泌体。‘Turbulence stimulation’能在十分之一的时间内产生十倍多的外泌体。”

 

Everzom刺激大量释放外泌体的制造工艺。(来源:EVerZom官网)

 

迄今为止,EVerZom已经在超过15种不同类型的细胞上测试了这一工艺,而且在每一种情况下,机械应力都会刺激高于正常水平的外泌体的释放。该公司也在探索在生产过程中,通过将药物混合到培养基中以在外泌体上装载感兴趣药物的可能性。

 

在法国政府的资助和投资者的110万欧元支持下,EVerZom的下一步工作是将生物生产平台的规模扩大到10 L,明年转入GMP设施,并在2022年初左右生产第一批临床外泌体。之后,他们希望在2022年底或2023年初与联用药物一起进行首次人体应用。

 

————————–

像当今许多可供生物学家使用的最著名、最具革命性的工具(如CRISPR、限制性内切酶和抗生素)一样,外泌体不是人类发明的,而是从自然界的工具箱里借来的,具有天然的优势。除了上文提及的一些公司外,全球许多其他生物技术公司也在竞相开发外泌体,例如Exosomics、Carmine Therapeutics、Vesigen Therapeutics、Mantra Bio和Aruna Bio。在大型制药公司(罗氏、武田、礼来等)和投资者日益增加的资金支持的刺激下,该领域或将在未来几年掀起一波热潮。

 

专 家 点 评

 

浙江大学 医学院 蔡志坚教授

1. 您如何看待外泌体的临床应用前景?

 

我个人非常看好外泌体的临床应用前景。其实,早在十多年前就有关于外泌体临床应用的报道。2005年,法国Gustave Roussy研究所的Zitvogel教授报道了将恶性黑色素瘤病人自体树突状细胞来源的外泌体荷载黑色素瘤特异性抗原肽,制备肿瘤治疗性疫苗,并进行治疗恶性黑色素瘤的I期临床试验,证实了该疫苗的临床安全性。当时还没有形成外泌体可作为药物天然输送载体的概念,因此,相关的研究主要集中在利用外泌体激发机体的抗肿瘤免疫,制备肿瘤治疗性疫苗。

 

随着外泌体作为药物输送载体的各种优势逐渐被揭示,许多科学家开始尝试利用外泌体装载药物进行临床疾病的治疗。与病毒与脂质体这些传统的载体不同,外泌体由于是来自细胞的天然产物,因此具有更高的生物相容性和极低的免疫原性。外泌体还可以在很大程度上避免药物的内体降解。此外,载药外泌体还可以穿过血脑屏障,应用于中枢神经系统疾病的治疗。

 

2020年,中国医学科院科学院黄波教授团队在Nature Biomedical Engineering报道了利用含有甲氨蝶呤的人肿瘤细胞凋亡的质膜微泡,开展治疗肝外胆管癌引起胆道梗阻的I期临床研究。研究结果显示,在参与研究的20个患者中,有5个患者的胆道梗阻得到缓解,缓解率达到25%,而且治疗后缓解持续时间较长。此外,该治疗方式具有非常理想的安全性。同年,华中科技大学同济医院附属协和医院利用病人自体囊泡装载化疗药物治疗肺癌胸水的早期临床研究,11例患者中有10例出现症状改善,4例患者完全缓解。11例患者中有9例患者在死亡前不需要进一步治疗性胸腔积液引流。同样的,这种治疗方式也具有高度的安全性。这些报道充分表明,外泌体作为治疗性药物输送载体不仅表现出了理想的治疗效果,还有着令人满意的生物安全性。

 

2. 目前外泌体应用进展最快的是哪个方向,哪些方向是有潜力的?

 

目前,在外泌体临床应用研究领域走在前列的是美国的Codiak BioSciences公司。它是MD安德森癌症中心癌症生物学系主任Raghu Kalluri教授在2015年创办。产品主要针对肿瘤治疗,包括IL-12修饰的外泌体、STING激动剂修饰的外泌体及装载KRAS-G12D小干扰RNA的外泌体。其中,IL-12修饰的外泌体治疗早期皮肤T细胞淋巴瘤的I期临床试验正在进行中。

 

除了肿瘤治疗,外泌体在基因的装载及输送中具有较高的效率,Evox Therapeutics公司正在尝试利用装载小干扰RNA的外泌本应用于遗传性疾病的治疗。由于外泌体具有可穿越血脑屏障的特性,因此在治疗帕金森、神经退行性疾病等脑相关疾病具有较大的潜力。

 

此外,我们的前期研究发现,外泌体可自发富集于肝脏,因此,载药外泌体在治疗肝脏相关疾病如原位肝癌、肝衰竭、肝纤维化和脂肪肝等疾病方面具有巨大的应用前景。

 

3. 外泌体临床转化还面临着哪些问题?对此,您有何看法或建议?

 

外泌体临床转化主要面对的问题是外泌体的细胞来源及产业化级别的外泌体制备。“O”型血红细胞是最佳的外泌体来源。由于它们本来就是血制品的天然成分,输血已经有上百年历史,安全性毋庸置疑。而且,红细胞是体内数量最多的细胞,可很方便的获得临床应用的外泌体产量。不过,我国对血制品管控,导致红细胞的来源成为很大的阻碍。间充质干细胞是经美国FDA获批的可应用于临床病人回输的细胞,因此,间充质干细胞来源的外泌体是将来比较容易获批的药物载体。而产业化外泌体的制备可通过间充质干细胞的生物发酵培养来实现。

 

与其他化学药物不同,外泌体含有的成分比较复杂,而且目前没有任何技术能提取到100%纯度的外泌体。因此,外泌体产品的质控也是目前面临的较大挑战。此外,通过人工修饰使外泌体获得疾病的靶向性,也是提高外泌体治疗产品应用价值的关键。

 

4. 您的团队主要围绕外泌体开展了哪些方面的研究,可以分享一些代表性成果吗?

 

我们团队在2012年就开展了利用免疫抑制分子TGF-β基因修饰未成熟树突状细胞来源的外泌体治疗自身免疫性疾病的研究,并在小鼠的炎症性肠病及EAE模型中取得了非常理想的治疗效果。

 

2019年,我们团队发表于Immunity的研究发现,B细胞可分泌含有CD39和CD73的外泌体,从而将化疗引起凋亡肿瘤细胞释放的大量ATP水解成腺苷,造成化疗后体内严重的免疫抑制。因此,制备相应的制剂特异抑制B细胞外泌体的释放可很大程度上提高化疗的治疗效果。目前,我们已制备出该制剂并取得国家发明专利的授权。

 

还有,如前面提到的,我们在2020年发表于Journal of Extracellular Vesicles的研究中报道,红细胞来源的外泌体经血液回输后可自发富集于肝脏,也就是说不需要任何人工的修饰就具有天然的肝靶向性。因此,载药后,红细胞来源的外泌体对急性肝衰竭和原位肝癌表现出很好的治疗效果,同时也具有非常理想的生物安全性。

 

此外,在对外泌体进行修饰,使其获得疾病靶向性方面的研究中我们也取得了一些令人激动的结果,并有可能制备出具有广谱肿瘤靶向性的外泌体载体。

作者:白露   来源公众号:医药魔方Pro

考资料

1# Exosome Therapy: Borrowing from Nature’s Toolbox(来源:LABIOTECH.eu官网)

2# Jazz Pharmaceuticals & Codiak BioSciences Announce Strategic Collaboration to Research, Develop, and Commercialize Engineered Exosomes to Create Therapies for Hard-to-Treat Cancers; Codiak to Receive $56 Million Upfront & Up to $1 Billion in Milestones(来源:BioQuick news)

3#周建芬,柴芝兰等. 外泌体作为药物递送载体的研究进展. 中国医药工业杂志. 2020. DOI:10.16522/j.cnki.cjph.2020.04.001

4# Escudier B, Dorval T, Chaput N, et al. Vaccination of metastatic melanoma patients with autologous dendritic cell (DC) derived-exosomes: results of the first phase I clinical trial. J Transl Med. 2005 Mar 2;3(1):10.

5# Liang Q, Bie N, Yong T, et al. The softness of tumour-cell-derived microparticles regulates their drug-delivery efficiency. Nat Biomed Eng. 2019 Sep;3(9):729-740.

6# Cai Z, Zhang W, Yang F, et al. Immunosuppressive exosomes from TGF-β1 gene-modified dendritic cells attenuate Th17-mediated inflammatory autoimmune disease by inducing regulatory T cells. Cell Res. 2012. Mar;22(3):607-10.

7# Yu L, Yang F, Jiang L, et al. Exosomes with membrane-associated TGF-beta1 from gene-modified dendritic cells inhibit murine EAE independently of MHC restriction. Eur J Immunol. 2013. Sep;43(9):2461-72. 

8# Zhang F, Li R, Yang Y, et al. Specific decrease in B-cell-derived extracellular vesicles enhances post-chemotherapeutic CD8+ T cell responses. Immunity. 2019 Mar 19;50(3):738-750.

9# Zhang G, Huang X, Xiu H, et al. Extracellular vesicles: Natural liver-accumulating drug delivery vehicles for the treatment of liver diseases. J Extracell Vesicles. 2020 Dec;10(2):e12030. 

 

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本篇文章来源于微信公众号:港粤资本

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