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腾讯登录苏佳灿教授团队：类器官细胞外囊泡
| 导读 | 苏佳灿教授团队在国际上首次提出了OEVs概念，并提出利用OEVs治疗复杂疾病的策略。我们希望对OEVs的全面了解将为复杂疾病的治疗提供创新的解决方案。 |
细胞外囊泡（Extracellular Vesicles，EVs）是一种由细胞释放的具有磷脂双分子层且无法复制的无细胞体系，具有稳定的载药能力、特殊的纳米尺寸和良好的生物相容，是极具临床应用潜力的新型药物递送载体。苏佳灿教授团队在EVs领域中具有丰富的研究经验，已经发表了多篇EVs相关的高水平论文。但动物来源的EVs存在一些局限性，例如产量低、临床转化难、难以改造等。针对这一痛点，苏佳灿教授团队近年来重点关注了类器官细胞外囊泡（Organoid Extracellular Vesicles，OEVs）。本文将详细介绍类器官细胞外囊泡的生物发生、结构、组成和内化机制及其在复杂疾病中的应用。苏佳灿教授团队在国际上首次提出了OEVs概念，并提出利用OEVs治疗复杂疾病的策略。我们希望对OEVs的全面了解将为复杂疾病的治疗提供创新的解决方案。
1.类器官细胞外囊泡概况
1.1类器官细胞外囊泡的发生机制、结构与组成以及内化机制
EVs是一种具有脂质双层的纳米颗粒，来源于细胞，过去人们认为它负责细胞代谢废物的运输。随着越来越多的证据表明EVs可以运输生物活性物质来调节生理和病理过程，EVs现在被认为是有前途的下一代药物输送平台。EVs是细胞间通讯的关键介质，它含有细胞特异性蛋白质、脂质和核酸，这些蛋白质、脂质和核酸可将其运送进或运出细胞。从本质上讲，传统EVs和OEVs都属于哺乳动物EVs（MEVs），其特征已经得到了很好的了解。因此，我们使用MEVs的生物发生、结构、组成和内化来广泛覆盖OEVs的生物发生、结构、组成和内化（图1）1-3。为了更好地了解OEVs的应用，我们还比较了OEVs与传统EVs的差异。
与常规EVs类似，OEVs根据其大小分为三种亚型，即外泌体（40-160 nm）、微囊泡（200-1000 nm）和凋亡小体（500-2000 nm）。在这些亚型中，外泌体因其合适的大小和强大的生物学功能而受到广泛关注。OEVs的形成分为三个步骤（图1）。3D培养后，细胞膜内陷形成早期内体。随后，早期核内体内陷形成多个腔内囊泡（ILVs），最终转化为晚期核内体和多泡体（MVBs）。最后，MVBs与质膜融合形成OEVs。 OEVs是球形纳米颗粒，具有丰富多样的脂质双分子层（图1）。
OEVs的内化决定了受体细胞的后续效应。通常，OEVs的内化主要通过三种途径实现，包括内吞作用、膜融合和受体介导的信号通路（图1）。最重要的内化途径之一是内吞作用，包括吞噬作用、微胞吞作用、脂质筏或网格蛋白介导的内吞作用。对于吞噬细胞，如中性粒细胞、树突状细胞和巨噬细胞，OEVs的摄取是吞噬作用。对于非吞噬细胞，OEVs的内化主要依赖于微吞噬作用、脂质筏或网格蛋白介导的内吞作用。与内吞作用的结果类似，膜融合允许OEVs与早期内体融合，直接释放其内容物或完成基于溶酶体的降解过程。此外，OEVs还可以通过受体（如TLR1/6、TLR2、TLR4）介导的信号通路被受体细胞内化。总之，这三种主要途径不是相互排斥的，而是协同作用的。OEVs进入宿主细胞后，释放其内容物并诱导不同的细胞反应。另外，不同的细胞反应也可以通过受体介导的信号通路诱导。
图1 类器官细胞外囊泡的生物发生机制、结构与组成以及内化机制
1.2传统EVs与类器官细胞外囊泡的差异
与传统的二维细胞培养系统不同，三维细胞培养可以形成类似干细胞生态位的组织结构，具有更接近人类的生理状态。与传统二维培养的EVs相比，OEVs具有更多的数量和更好的生理效应。具体来说，二维培养的细胞产生的EVs较少，生物活性差，蛋白质和核酸较少（图2左），而三维培养的细胞产生的OEVs较多，活性更强，蛋白质和核酸更多（图2右）。
图2 传统MEVs与OEVs的差异
1.3 类器官细胞外囊泡的分离纯化
目前，OEVs的分离方法主要包括密度梯度离心、差速离心、排样层析和试剂盒提取。每种方法都有其独特的优点和局限性。苏佳灿教授团队总结了OEVs的提取方法（图3）。首先，通过将混合物在4°C下1000 × g低速离心5分钟，实现类器官和基质凝胶的分离。随后，上清液在4℃下10000 × g低速离心10分钟，用0.22 μm无菌过滤器过滤。然后，在4°C下，以150000 × g超离心90分钟，鉴定底部沉积物为OEVs，随后将其重悬于无菌磷酸盐缓冲盐水中。纯化时，在4℃条件下，150000 × g重复超离心90分钟，得到纯化后的OEVs作为底部沉淀物。使用无菌PBS重悬收集的纯化OEVs，然后将其保存在-80°C以备将来使用。
图3 类器官细胞外囊泡的分离纯化
2. 类器官细胞外囊泡在复杂疾病应用
2.1类器官细胞外囊泡在炎症性肠病中的应用
炎症性肠病（IBD）以腹痛、腹泻和血便为特征，是一种慢性易复发的肠道炎症性疾病。IBD的病因和发病机制十分复杂，尚未完全明了。现有的IBD临床治疗效果也非常有限。因此，迫切需要寻找一种新的诊断和治疗方法。肠道类器官已广泛用于肠道疾病建模、药物开发和筛选、宿主-微生物相互作用以及肠道生物学和发育。而肠道类器官外囊泡（Intestinal OEVs，IOEVs）是一种很有前途的纳米载体，具有更接近天然组织的生理条件域组织结构，可以参与一系列生理和病理过程。因此，开发肠道类器官和肠道类器官细胞外囊泡在IBD治疗中具有重要意义。苏佳灿教授团队首先全面介绍了肠道类器官的传统和最新构建策略。随后总结了肠道类器官在炎症性肠病（IBD）慢性并发症、黏膜损伤与修复、肠道微生态探索、IBD治疗等方面的应用。重要的是，苏佳灿教授团队首次使用OEVs来表示类器官来源的细胞外囊泡，并总结了OEVs的生物发生、结构、组成、内化和分离机制。与传统EVs相比，OEVs数量更多，生理效应更好，可用于治疗相关疾病，包括癌症、视网膜疾病和脑部疾病等。基于此，苏佳灿教授团队创新性地提出了一种使用肠道类器官与IOEVs治疗IBD的新策略（图4）1。
图4 利用肠道类器官与肠道类器官细胞外囊泡治疗IBD
2.2类器官细胞外囊泡在骨质疏松性骨折中的应用
骨质疏松症（Osteoporosis，OP）是一种以骨量低和微结构脆弱为特征的全身性退行性疾病，使患者容易发生脆性骨折，也称为骨质疏松性骨折（Osteoporotic fractures，OPF）。OPF已成为威胁老年人健康的重大社会问题。在过去的十年中，类器官和类器官细胞外囊泡（Organoids extracellular vesicles, OEVs）在OPF修复中发挥着重要作用（图1）。类器官已广泛用于骨折的治疗。此外， EVs因其无细胞系统、稳定的载药能力、特殊的纳米尺寸和良好的生物相容性而成为有前途的纳米载体。重要的是，与传统的EVs相比，OEVs数量更多、生理作用更好、治疗效果更好。因此，开发类器官和OEVs在OPF的治疗中具有重要意义。苏佳灿教授团队总结了类器官和OEVs的现状和以及展望了其未来应用的前景，首次提出了骨类器官细胞外囊泡（Bone OEVs，BOEVs）的概念，并提出可以利用骨类器官及BOEVs来治疗复杂性的OPF的策略，这将为OPF修复提供全新的解决方案（图5）2。
图5 骨类器官与骨类器官细胞外囊泡作用于复杂的骨质疏松性骨折
2.3基于类器官细胞外囊泡的疾病治疗策略
随着人口老龄化的迅速发展，骨相关疾病严重影响着老年人的生活。近年来，类器官，即干细胞体外三维培养后自我诱导的具有特定功能和结构的细胞簇，已被广泛应用于骨治疗。此外，类器官细胞外囊泡(OEVs)因其强大的生理作用、显著的生物学功能、稳定的负载能力和良好的生物相容性而成为一种有前景的无细胞纳米载体。鉴于类器官与类器官细胞外囊泡的强大应用前景，苏佳灿教授团队进一步全面总结了基于类器官与OEVs的骨病治疗策略（图6）。首先全面概述了OEVs的生物发生、内化、分离和表征。然后，我们全面强调了OEVs与传统EVs的区别，二维培养细胞产生的传统细胞外囊泡较少、生物活性较差、蛋白质和核酸较少，而三维培养的类器官产生的OEVs较多、活性更高、蛋白质和核酸较多。随后，介绍了天然OEVs在疾病治疗中的应用。我们还总结了OEVs的工程修饰，包括工程亲代细胞和分离后的工程OEVs。此外，展望了天然OEVs和工程OEVs在骨相关疾病中的潜力。最后，批判性地讨论了OEVs在骨病治疗中的优势和挑战。我们相信，全面讨论OEVs将为复杂的骨病提供更多创新和有效的解决方案3。
图6 基于类器官与类器官细胞外囊泡的骨疾病治疗策略
2.4人工智能介导的类器官与类器官细胞外囊泡研究
类器官和类器官细胞外囊泡（OEVs）正在彻底改变医学研究。人工智能（AI）在类器官和EVs研发中的应用可以显著提高研究这些复杂系统的效率和准确性。AI在类器官和OEVs研究中的应用正在不断推动该领域的进步。随着AI的智能数据分析和处理，一个新的诊断和治疗时代正在展开。在通往精准和个性化医疗的道路上，AI无疑是一个强大的伙伴4。
在OEVs的研究中，利用AI分析高通量成像数据可以快速识别和分类不同的囊泡，加快生物标志物的发现和验证过程。AI还使研究人员能够更快地识别类器官内关键信号通路的变化，以及OEVs内潜在的生物标志物。未来的研究应将AI更充分地融入类器官和OEVs的研究中，实现实验过程的自动化和智能化。然而，AI介导的类器官和OEVs研究也面临着相当大的挑战。比如我们如何确保AI结果的准确性可靠性。因此，开发能够解释其决策过程的AI系统将使科学家更深入地了解数据分析产生的结果。另一个挑战是数据隐私和安全。处理患者数据需要充分保护他们的隐私，并遵守道德和法律标准。
参考文献：
1.Jiacan Su* et al. Intestinal organoids and organoids extracellular vesicles for inflammatory bowel disease treatment. Chem Eng J. 465 (2023) 142842. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142842
2.Jiacan Su* et al. Organoid and organoid extracellular vesicles for osteoporotic fractures therapy: Current status and future perspectives. Interdiscip. Med. 2023; e20230011. https://doi.org/10.1002/INMD.20230011.
3.Jiacan Su* et al. Organoid extracellular vesicle-based therapeutic strategies for bone therapy. Biomater Transl. 2023, 4(4), 199-212. http://doi.org/10.12336/ biomatertransl.2023.04.002
4.Jiacan Su* et al. Artificial intelligenceenabled studies on organoid and organoid extracellular vesicles. Biomater Transl. 2024, 5(2), 93-94. http://doi.org/10.12336/ biomatertransl.2024.02.001
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