综述：细胞外囊泡在代谢视角下的机制与靶向治疗

《Journal of Nanobiotechnology》：Extracellular vesicles in metabolic perspective: mechanism and targeted therapy

本综述系统阐述了细胞外囊泡（EVs）作为细胞间通讯关键介质，在代谢调控中的双重角色：既是代谢调节因子，也是代谢状态的目标。文章深入探讨了EVs通过转运代谢物、酶、核酸和蛋白质，调控葡萄糖、脂质、氨基酸及氧化还原代谢的分子机制，并揭示了代谢状态对EVs生物发生、 cargo 组成和功能的反馈影响。同时，综述展望了EVs在疾病诊断（如代谢组学）和靶向治疗（如工程化修饰）中的应用前景，为理解代谢疾病病理机制和开发新型疗法提供了全新视角。

　　

细胞外囊泡：新兴的代谢调节剂

代谢是细胞生存和增殖的基本生命活动，维持着整个生命体的活性。细胞外囊泡（EVs）作为细胞间通讯的关键介质，与代谢调控的关联日益受到重视。EVs封装并运输生物活性分子——包括代谢物、酶、核酸和蛋白质——直接影响细胞内能量供应、RNA和蛋白质合成以及细胞器功能等通路。反过来，细胞的代谢状态深刻影响着EVs的生物发生、 cargo 组成和靶向性。这种双向相互作用使EVs成为代谢的协调者，其失调会导致多种疾病。

EVs的概念、分类与产生

EVs是一类由细胞衍生的、被双层脂膜包裹的膜结构，尺寸从纳米级到微米级，不能自我复制。根据生物发生机制、生物物理特性等，EVs大致分为三种亚型：外泌体（30-150 nm）、微囊泡（MVs, 100-1000 nm）和凋亡小体（500-2000 nm）。外泌体起源于内体系统，富含四跨膜蛋白（CD9、CD63、CD81）。微囊泡直接从质膜出芽形成，携带整合素、选择素和细胞骨架蛋白。凋亡小体在程序性细胞死亡过程中形成，包含核碎片和细胞器。

EVs主要通过 cargo 传递执行生物学功能，包括蛋白质、核酸、脂质和代谢物。这些 cargo 的组成因EVs产生时的细胞、代谢和病理条件而异，从而改变EVs介导的生物学效应。供体细胞的代谢状态深刻影响EVs的组成和功能靶向。营养物质的可用性，甚至单一营养成分的改变，都可以影响EVs的生物合成和功能。

EVs介导的代谢调节机制

EVs在葡萄糖代谢调节中的作用

葡萄糖代谢涉及糖酵解、三羧酸（TCA）循环和氧化磷酸化（OXPHOS）等关键过程。EVs通过影响葡萄糖摄取、糖酵解和代谢重编程等方式参与调节。

EVs对GLUT的调节影响了葡萄糖代谢的全过程。携带GLUT的EVs的内化会诱导葡萄糖摄取增加。在糖酵解方面，EVs可直接转运关键酶，如骨骼肌细胞释放的EVs含有乳酸脱氢酶A（LDHA），当其递送至BMSCs时能促进细胞糖酵解。间接地，EVs通过携带miRNA进行调节，例如M2巨噬细胞分泌的富含miR-181b-5p的EVs可调节CCR2阳性巨噬细胞的葡萄糖摄取和糖酵解。

对于TCA循环和OXPHOS，EVs可间接施加影响。例如，来自肥胖女性乳腺脂肪组织的EVs将miR-155-5p等易位至乳腺癌细胞，增加了OXPHOS相关酶（如ATP合酶）的基因表达。间充质干细胞（MSC）来源的EVs转运线粒体转录因子A（TFAM）蛋白及其mRNA复合物，可改善肾小管线粒体的OXPHOS缺陷。

EVs在脂质代谢调节中的作用

脂质代谢包括脂肪酸代谢、胆固醇代谢和磷脂代谢。EVs通过直接转运脂质（如胆固醇、脂肪酸）或间接通过其 cargo 调节相关基因表达来影响脂质代谢。

在脂肪酸代谢中，来自器官样人类视网膜祖细胞的EVs与线粒体网络融合后，增加了线粒体脂肪酸β-氧化相关蛋白（如CRAT和HADH）的水平。对于胆固醇代谢，血小板来源的EVs通过增强CD36的泛素化来抑制巨噬细胞中的胆固醇募集。EVs本身是磷脂双分子层包裹的颗粒，也参与调节磷脂代谢过程，例如马拉色菌来源的EVs通过干扰甘油磷脂代谢抑制金黄色葡萄球菌的生长。

EVs在氨基酸代谢调节中的作用

氨基酸是蛋白质合成的原料，也参与能量代谢。EVs对谷氨酰胺和精氨酸代谢具有调节作用。

辐射诱导的癌细胞产生富含SLC1A5的sEVs，增强了未照射口腔鳞癌细胞的谷氨酰胺代谢。癌症相关成纤维细胞（CAF）组织来源的EVs将LINC01614包裹并转运至肺腺癌细胞，激活NF-κB通路，上调谷氨酰胺转运体如SLC38A2和SLC7A5，最终增加癌细胞的谷氨酰胺代谢。在精氨酸代谢方面，结直肠癌来源的EVs携带阳离子氨基酸转运体1（CAT1），增强精氨酸转运，上调下游NO代谢。心肌细胞来源的EVs转运Linc-ROR至心脏微血管内皮细胞（CMECs），下调miR-145-5p，激活eNOS，导致NO产生增加。

EVs在氧化还原代谢调节中的作用

氧化还原代谢与细胞代谢紧密相连，涉及NAD⁺/NADH、NADP⁺/NADPH、谷胱甘肽（GSH）和铁代谢等。EVs参与这些过程的调节。

运动期间血液循环中EVs浓度增加，伴随囊泡内eNAMPT水平升高，这改变了受体细胞内的NAD⁺水平以对抗年龄相关性衰退。来自肥胖患者脂肪组织的EVs含有NOX4拷贝，可被递送至滋养层细胞，导致ROS积累和细胞氧化损伤。在铁代谢方面，卵巢癌细胞在铁死亡诱导剂erastin作用下上调CD63，促进EVs产生，这些EVs含有铁储存蛋白铁蛋白重链（FtH），表明癌细胞可能利用CD63阳性EVs分泌富含铁的铁蛋白以逃避铁死亡。

代谢状态对EVs的影响

氧化应激的代谢状态

氧化应激显著影响EVs的生物发生、分泌和组成。细胞氧化还原状态的改变允许蛋白质巯基发生氧化修饰，从而诱导钙离子内流，随后产生促炎和促凝EVs。氧化应激抑制溶酶体相关的TRPML1通道，由于溶酶体-MVB相互作用被破坏而增加了EVs的释放。

衰老的代谢状态

衰老是细胞和组织功能恶化、受损的不可逆进程。衰老的代谢状态影响EVs的释放及其携带的 cargo。例如，来自老年人皮肤角质形成细胞的EVs释放量显著多于年轻人，同时miR-30a的丰度也显著更高。细胞衰老也会改变EVs的表面蛋白，进而干扰EVs的摄取和功能，例如衰老细胞来源的EVs富含DPP4，这会阻碍EVs被增殖细胞招募。

EVs调节代谢的疾病病理与靶向治疗

癌症代谢

EVs通过重编程癌细胞及其周围基质细胞的代谢来影响癌症进展、转移和免疫抑制。在肿瘤-巨噬细胞共生中，浸润胶质母细胞瘤的巨噬细胞释放含有LDHA的EVs，促进胶质母细胞瘤细胞的糖酵解和增殖。CAFs来源的EVs的代谢物 cargo 通过提供乳酸供应和TCA中间体谷氨酰胺来增强肿瘤细胞的代谢流。基于EVs在癌症代谢重编程中的作用，它们被认为是很有前景的靶点，也可作为癌症监测的标志物或设计为纳米载体用于癌症治疗。

代谢性炎症

在心血管疾病（CVDs）中，糖尿病患者循环心血管细胞来源的EVs中MiR-30的过表达通过协同下调eNOS来促进脂肪酸β-氧化和脂质过氧化，影响微血管功能。在肝脏疾病中，EVs诱导脂质积聚，导致肝脏脂质代谢紊乱，进而促进炎症和肝纤维化进展。MSC来源的EVs显示出治疗急慢性肝损伤的潜力。

组织损伤和感染期间的代谢重编程

在骨关节炎中，BMSCs来源的携带miR-150-5p的EVs被ECs摄取，诱导细胞内SOX2过表达，将胞质OXPHOS转向糖酵解，促进H型血管生成。在COVID-19患者中，血小板来源的递送miR-21/let-7b的EVs增强NOX活性，触发中性粒细胞活化。白色念珠菌来源的EVs通过激活精氨酸和NO代谢途径减少细菌死亡，从而加剧宿主损伤。

EVs的代組学及其在疾病诊断和治疗中的潜力

代谢物直接参与维持生理过程的酶促反应。EVs由供体细胞分泌，封装了蛋白质、核酸和代谢物。通过对EVs进行代谢组学分析，可以更深入地了解疾病病理生理学，并探索临床诊断和治疗的新方法。

EVs广泛存在于各种人体体液中，使其成为一种有前景的无创诊断工具。例如，对胸水来源的EVs进行代谢组学分析，有助于区分结核和肿瘤，并确定了潜在的生物标志物候选物。在治疗方面，EVs可用于药物递送过程，通过代谢组学分析EVs组成有助于优化药物递送。此外，基于EVs的代組学还有助于疾病进展和预后监测。

靶向细胞代谢途径的工程化修饰EVs

EVs模拟其供体细胞的功能，同时表现出优异的稳定性和较低的免疫原性，使其成为药物递送系统的有前途的候选者。工程化EVs主要通过对EVs的 cargo 和膜进行修饰来实现功能优化。

对EVs cargo 的修饰

改变或修饰EVs的内含物可以形成工程化EVs，从而实现功能的选择性改变。例如，负载miR-654-5p的工程化sEVs靶向HSPB1，增强了索拉非尼诱导的肝细胞癌（HCC）铁死亡。设计二甲双胍工程化EVs（Met-EVs）可导致衰老细胞的代谢重编程，缓解糖酵解并增强OXPHOS。将线粒体或其组分纳入EVs的 cargo 中，为治疗线粒体相关疾病提供了显著前景。

对EVs膜的修饰

对EVs膜进行靶向修饰提供了一种精确调节细胞代谢模式的创新方法。例如，将CD38抗原受体膜修饰的MSC来源EVs（CD38-ARM-MSC-EVs）靶向递送至肺泡上皮2型细胞（AEC2），可恢复细胞内NAD⁺水平并减轻肺纤维化。工程化EVs在其膜内掺入过氧化氢酶，能够靶向调节肿瘤细胞氧化还原稳态。

结论与展望

EVs通过转运 cargo 或膜上的功能性蛋白质来调节细胞间代谢，对于代谢性疾病的靶向治疗具有重要意义。尽管在理解EVs的治疗潜力方面取得了实质性进展，但其调节细胞间代谢的机制仍未完全阐明。EVs cargo 分选的异质性及其对受体细胞的影响需要进一步研究。实现高纯度EVs分离、确保精确靶向以及减轻EVs对健康个体的潜在不良反应仍然是需要克服的关键障碍。

未来的研究重点应放在工程化EVs以克服其作为纳米载体的局限性，并通过生物正交点击化学、表面分子修饰和核酸负载等方法实现广泛的临床应用。优化大规模生产技术并建立标准化方案对于临床转化至关重要。随着EVs研究的进展，解决EVs基于治疗的药代动力学、生物分布和长期安全性等关键问题，将为其融入临床实践奠定基础。