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發佈日期: 2017-12-11  
新竹生醫電子報第113期-外泌體臨床應用

作者:財團法人工業技術研究院生醫與醫材研究所 謝惠珠研究員


 


外泌體是一種由細胞膜分化出來並釋放至細胞為環境中囊泡,大小約在40–150 奈米左右,屬於細胞外囊泡(Extracellular vesicles, EVs)的一種。許多種類的細胞皆會分泌外泌體至周遭的微環境中,在血液、尿液、唾液及其他體液中皆可發現它的存在。外泌體最早於三十年前便有相關的發表,其分子組成包含與細胞膜類似的雙層脂膜,此外還包含核酸及蛋白等,其組成及功能取決於它的生成細胞。過去外泌體被視為細胞的垃圾桶,但近年來有越來越多的研究發現細胞所分泌的外泌體不僅會影響周遭的微環境(microenvironment),還扮演著細胞間溝通的角色,甚至會藉由釋放至循環系統中的外泌體來影響遠端的其他細胞或組織,與許多疾病的形成有很大的關係,例如癌症及神經退行性疾​​病等。這些發現驅動了更多的外泌體與疾病關聯的研究,根據PubMed的資料統計,目前已有超過2,700篇有關外泌體的論文發表,其中1,700篇論文是集中在2010年之後發表,顯示外泌體為目前學術上的熱門議題。


 


以癌症為例,許多研究發現腫瘤細胞相較於正常細胞會製造並釋放大量的外泌體,當腫瘤外泌體被接收細胞吸收後,其所攜帶的信使核糖核酸(mRNA)微小核糖核酸(microRNA, miRNA)等訊息分子會改變接收細胞的基因或蛋白質的表現,由於腫瘤外泌體可藉由調控免疫反應(immunity)及血管增生(angiogenesis)來改變腫瘤微環境,故在腫瘤的進程(progression)及轉移(metastasis)中皆扮演重大的角色。因為這些特性與功能,外泌體非常有潛力成為疾病檢測用的工具之一,尤其是腫瘤外泌體極可能成為癌症早期診斷及預後判斷的依據。另外。因為外泌體如何透過核酸及蛋白質等訊號分子來調控腫瘤的發展仍在持續研究就當中,所以外泌體在疾病診斷上的研究,除了分析外泌體表面蛋白外,其內部攜帶的訊息分子也是癌症診斷中重要的一環。


 


以外泌體做為疾病檢測生物標記的好處除了外泌體可穩定存在於體液中且其組成可反應來源細胞外,相較於傳統的組織切片分析,分析腫瘤外泌體這一類的液態檢體除了較低的侵入風險外,體液中的外泌體分析相較於傳統切片更有機會可以反應出檢體取得當下的整體腫瘤的異質性。傳統的組織切片只能分析一小區域的組織,無法提供全面性的資訊來反應出腫瘤的異質性,而腫瘤的異質性與治療方式及預後反應有很大的關係。


 


由於外泌體的快速分離及訊號分子分析等技術尚未發展完全,在科學研究最常用的純化方法仍是超高速離心機,但是此方法耗時費力且回收率低。近幾年許多人開發了用超濾膜過濾、聚乙二醇沉澱、免疫磁珠純化及微流道純化裝置等技術來進行外泌體純化,這些方法雖然較為省時省力,但純化效率都還未獲得大眾一致的肯定,故仍以超高速離心法為比對的標準方法。


 


而在外泌體的檢測上,如何準確測量外泌體的數量及純度目前仍存在一些挑戰,在數量偵測上目前以光學法為主,如奈米粒子追蹤分析儀(nanoparticle tracking analysis, NTA)動態光散射儀(dynamic light scattering, DLS)及流式細胞儀(flow cytometry, FACS)等。非光學的技術常用的有表面電將共振(surface plasmon resonance, SPR)及穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy, TEM)。而在外泌體的特性分析方法包括西方墨點方析、酵素連結免疫吸附分析法(Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, ELISA)、免疫螢光偵測及聚合酶連鎖反應(Polymerase chain reaction, PCR)等。雖然目前外泌體的臨床應用仍停留在科學研究,尚未普遍用於疾病的常規檢測上,但鑒於外泌體在臨床應用上的潛力,學界及業界皆致力於開發更簡便、整合式的外泌體臨床應用技術。


 


舉例說明,日本國立癌症研究中心開發了以奈米粒子結合單態氧(Singlet oxygen)技術的均勻相檢測方法,可以快速、靈敏地針對表面蛋白質進行外泌體的相對定量分析。亦有一些利用可辨識外泌體表面蛋白的抗體搭配表面電將共振技術進行外泌體的定量分析,這個方法的優點是可以針對不同的表面蛋白質進行多重標的偵測。另外亦有結合免疫磁珠純化或微流道結合螢光光學分析的整合式產品,這些技術皆可在3小時內完成單一或多重的外泌體分析,但是目前外泌體快速檢測系統主要仍停留在針對表面分子來進行外泌體的定量或特性分析。而目前針對被視為細胞間溝通或疾病調控重要因子的外泌體核酸的快速檢測技術或產品仍在少數,例如美國麻省總醫院開發的結合聚合酶連鎖反應及微流道技術以進行外泌體核酸分析的快速檢測,這項技術可在兩小時內分析多個信使核糖核酸。


 


外泌體的發展可包含診斷、治療和科學研究等三個應用層面領域,預估整體外泌體市場將由2016年的1,610萬美元增加至2021年的1.12億美元,年複合年成長率達到47.3%。診斷應用為整體市場的主要成長驅動領域,預估約占整體市場的六成以上。而在治療應用仍屬非常早期,需要更多的基礎研究支持才有機會更廣泛的應用。


 


雖然目前外泌體的臨床疾病應用仍存在許多未知數與挑戰,但外泌體在疾病檢測及治療上的應用潛力持續受到許多科學家的重視,它在臨床上的應用及市場仍值得期待。


 


 


出處與延伸閱讀


1.      Soung YH, Ford S, Zhang V and Chung J.Exosomes in Cancer Diagnostics. Cancers. 2017; 9: 8.


2.      Yoshioka Y, Kosaka N, Konishi Y, Ohta H, Okamoto H, Sonoda H, Nonaka R, Yamamoto H, Ishii H, Mori M, Furuta K, Nakajima T, Hayashi H, Sugisaki H, Higashimoto H, Kato T, Takeshita F and Ochiya T. Ultra-sensitive liquid biopsy of circulating extracellular vesicles using ExoScreen. Nat Commun. 2014; 5:3591.


3.      Im H, Lee K, Weissleder R, Lee H and Castro CM. Novel nanosensing technologies for exosome detection and profiling. Lab Chip. 2017;  17:2892.


 


 

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