第一章 未來醫學的新希望-外泌體

第一節 小囊泡大學問
外泌體(Exosomes)近年成為國內外醫療產業的焦點，由於它具有比傳統幹細胞更多的優勢，使它成為未來醫療科技的新主流，從癌症、神經系統、呼吸系統、泌尿系統等多項疾病檢測治療到成為中西藥的載體、保健食品、護膚保養品，外泌體都能達到相當成效，隨著更多資金和人力投入的研發，儼然成為未來醫學的新希望。

外泌體的定義
這個主導未來醫藥產業的新成份―外泌體，對一般大眾尚屬陌生，到底什麼是外泌體呢?外泌體是由細胞內多囊體(multivesicular body，MVB) 與細胞膜融合後，釋放到細胞外基質中的一種直徑約30-150奈米的胞外囊泡(Extracellular Vesicles，EVs)。簡單說，外泌體是屬於一種包含複雜的去氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid，DNA)、訊號核糖核酸(messenger Ribonucleic acid， mRNAs)、小分子核糖核酸(micro Ribonucleic acid ，miRNAs)、熱休克蛋白90(Heat shock protein 90，HSP90) 和熱休克蛋70(HSP70)等以及蛋白質的小囊泡，可作為訊號分子的載體，促進蛋白質、脂質、mRNA、miRNAs和DNA的傳輸與疾病的發展，參與生理和病理過程的訊號傳遞，外泌體組成的成份和功能決定於分泌的細胞種類，可以反應當時個人生理病理狀態和細胞的微環境(microenvironment)影響。
外泌體是科學家在研究網織紅細胞(Reticulocyte)轉變成熟紅細胞過程時發現，經過多年研究後，學者又發現除了網織紅細胞以外，T細胞、B細胞、血小板、樹突細胞(Dendritic Cell，DC)、肥大細胞(mast cell)、血細胞及上皮細胞、腫瘤細胞在正常及病理狀態下都可分泌外泌體，被分泌出的外泌體會進入人體血液、唾液、尿液、腦脊髓液及乳汁等體液中，透過循環系統到達其他細胞與組織，產生遠端調控作用。
外泌體的具體形成機制，目前不是十分清楚，但有研究學者認為，不同類型的細胞形成外泌體的過程可能大同小異。細胞通過內吞作用(Endocytosis)，產生了小囊泡，小囊泡融合形成早期核內體(early endosome)，並逐漸變為晚期核內體(late endosome)，隨著胞質內miRNA、酶(Enzyme)分子、熱休克蛋白(Heat shock proteins，HSPs)等一些物質的進入，晚期核內體會產生很多小囊泡(intraluminal vesicles，ILVs)，並逐漸演變成多泡體，當這些小囊泡被釋放到細胞外，便形成外泌體。

外泌體的組成
外泌體由蛋白質、核酸、脂質組成，科學家從286項研究發現外泌體含有41860種蛋白質、2838種microRNA、3408種mRNA，常見的細胞質蛋白是Rabs蛋白，屬於鳥苷三磷酸(Guanosine triphosphate)家族的一種，可以調節外泌體膜與受體細胞的融合。

蛋白質有以下幾類：
(1)與生物發生機制有關：例如：膜蛋白和Rab蛋白，可促進多囊體與細胞膜的融合及外泌體的釋放；Tsg-101及附屬蛋白質Alix參與內體蛋白分選轉運裝置(endosomal sorting complexes required for transport ，ESCRT)過程，促進內體膜的凹陷。
(2)含有參與抗原呈遞的蛋白質，如：分化簇1(cluster of differentiation1，CD1)、第一型主要組織相容性複合物(major histocompatibility complexⅠ，MHC-Ⅰ)、和第二型主要組織相容性複合物(major histocompatibility complex Ⅱ，MHCⅡ)，在免疫調節中發揮重要作用，MHCⅠ還參與向T細胞呈遞抗原的生理過程。外泌體表面存在熱休克蛋白，如HSP70和HSP90，促進了抗原肽與MHCⅠ及MHCⅡ的結合。
(3)含有信號轉導蛋白：如G蛋白和蛋白激酶。
(4)含有蛋白水解酶，顯示外泌體能夠促進細胞轉移。
(5)含有細胞質微管蛋白、肌動蛋白和肌動蛋白結合蛋白，目前未發現外泌體含有與內質網、高爾基體(Golgi apparatus)和細胞核相關的蛋白質。
(6)特定腫瘤細胞分泌特定的蛋白質：例如：腸胃道間質瘤(Gastrointestinal Stromal Tumor，GIST)分泌的外泌體富含特定蛋白質可成為診斷標誌物，包含：KIT、CD34、ANO1、PROM1、PRKCQ、ENG。

核酸
外泌體含有大量核苷酸，目前已經發現DNA、RNA、miRNA及非編碼核糖核酸(non-coding RNA，ncRNA)等。特性如下：
(1) 在外泌體中mRNA為功能性RNA，可傳輸到目標細胞後可以被轉化成蛋白質外泌體中的miRNA，如let-7、miR-1、miR-15、miR-16、miR-151和miR-375在血管新生、胞吐作用(Exocytosis)、腫瘤發生等過程中發揮重要作用。
(2)外泌體富含腫瘤轉移有關的miRNA，如：來自於乳腺癌細胞系的人類正常乳腺細胞10A(Michigan Cancer Foundation10A，MCF-10A)和轉移性乳腺癌細胞MDA-MB-231 (MD Anderson-Metastatic Breast-231)的外泌體富含miRNA-105，可減少內皮細胞中ZO-1基因的表達，促進乳腺癌向肺和腦的轉移機率。
(３)外泌體中的miR-21和miR-29a可作為配體與免疫細胞受體(Toll-like receptors)結合啟動免疫細胞。
(4)外泌體miRNA可作為生物標誌物輔助疾病的臨床診斷。例如:let-7a、miR-1229、miR-1246、miR-150、miR-21、miR-223和miR-23a可作為診斷結腸直腸癌的生物標誌物、miR-21和miR-181a-5p可以判別甲狀腺乳頭癌(Papillary thyroid cancer)及濾泡性甲狀腺癌(Follicular Carcinoma)；miR-1290和miR-375可用作診斷前列腺癌預後的生物標誌物。

脂質
外泌體脂質成分包括：鞘磷脂(Sphingomyelin)、膽固醇、神經節苷脂GM3 (ganglioside)、飽和脂肪酸、磷脂醯絲氨酸(Phosphatidylserine)和神經醯胺。與其它來源細胞的細胞膜比較，外泌體膜表面的磷脂醯膽鹼(Phosphatidylcholine)和二醯基甘油(diacylglycerol)含量降低，但表面富含磷脂醯絲氨酸，有利於受體細胞內化，在生物功能方面發揮重要作用。

醫藥保健新契機 應用層面廣
外泌體的廣為應用是近10年來的醫學新契機，學者發現外泌體在很多生理病理上有著重要的作用和影響，主要集中在腫瘤轉移、腫瘤免疫、診斷、心血管、幹細胞方面、組織損傷的修復、神經退化性疾病、腦與脊髓創傷、中風、學習障礙、巴金森氏症、阿茲海默症、心肌梗塞、肌肉萎縮症等疾病。外泌體的內含物通常可反應來源組織的疾病狀態，研究人員發現腫瘤來源的外泌體包含眾多能夠引發腫瘤轉移的因子，透過外泌體表面所含蛋白抗原(proteantigen)的分析，未來將是監測疾病發生、演變以及確定治療方法的主要途經。
幹細胞療法曾掀起熱潮，但外泌體的特性與優勢讓專家學者更看好它勝於幹細胞，主要是它具有抗發炎、好保存、分子小、與其它細胞相容的多種優點，使得國內外醫學專家紛紛投入外泌體的研究與商品開發。除此之外，外泌體並可應用於護膚品與保健食品，是未來不可忽視的商機。由於外泌體具有良好的再生與修復效果，不僅在臨床上用於燒傷、皮膚潰瘍、創傷等受損皮膚的修復治療，並且在改善膚質、修復衰老皮膚等也有功效。
研究發現，外泌體參與皮膚生理及病理的過程，調節皮膚微環境中促炎細胞因子分泌，促進皮膚缺損處血管新生及膠原蛋白沉積，以及調節皮膚纖維細胞增殖分化，促進創傷的癒合、抑制疤痕的形成等，應用於護膚美容產品上，將是愛美女士的福音；而外泌體保健食品，更被視為是市場上耀眼的明日之星，從醫藥保健到美容護膚，可以預期外泌體將對產業帶來革命性的影響與巨大貢獻。