呼吸系统疾病，特别是慢性阻塞性肺病和下呼吸道感染，是全球最主要的死亡原因之一，为全球带来了巨大的健康负担。然而，目前仍没有合适的纳米颗粒载体可以实现通过雾化吸入将药物递送至肺组织深处。近日，北卡罗莱纳州立大学程柯教授团队在Elsevier旗下学术期刊Extracellular Vesicle上发表题为“Inhalable exosomes outperform liposomes as mRNA and protein drug carriers to the lung”的研究型论文，报道了外泌体肺部给药的新思路。与人工合成的脂质体相比，人肺球细胞来源的外泌体（Lung-Exo）在通过雾化吸入的方式将mRNA及蛋白质递送至肺部具有天然优势。该团队发现，与人胚肾细胞HEK293细胞来源的外泌体（HEK-Exo）或脂质体（Lipo）相比，Lung-Exo在经雾化吸入给药后能更好地将mRNA和蛋白质货物递送至细支气管和肺泡中，并在肺组织中具有更好的滞留率，提高mRNA及蛋白质药物在肺组织中的生物利用度。这些结果表明，可雾化吸入的Lung-Exo是向肺部递送mRNA及蛋白质药物用于治疗呼吸道和肺部疾病的理想载体。
在该研究中，作者通过电穿孔法将编码绿色荧光蛋白（GFP）的mRNA和红色荧光蛋白（RFP）加载到Lung-Exo，HEK-Exo和Lipo中，进一步在小鼠模型中比较这三种纳米颗粒在小鼠组织器官中的生物分布，并对其内携带的mRNA和蛋白质货物的滞留率及其生物利用度进行了系统评估。
图1 | 雾化吸入纳米颗粒在肺中的生物分布。(a) 纳米颗粒GFP-mRNA和RFP蛋白加载、雾化吸入给药和检测示意图。(b) mRNA和蛋白负载的Lung-Exo、HEK-Exo和Lipo经雾化吸入后的代表性小鼠肺离体图像。(c) 定量分析小鼠肺离体GFP和RFP荧光信号强度。(d) 雾化吸入后24小时，小鼠离体肺中GFP和RFP荧光信号强度的定量分析。(e-f) 小鼠肺组织裂解液中GFP和RFP的免疫印迹及分析。该研究实验结果显示，经雾化吸入的Lung-Exo和HEK-Exo在肺组织中的分布及保留均优于Lipo。此外，分布并保留在肺组织中的Lung-Exo显著多于HEK-Exo，其内负载的RFP蛋白质及由GFP-mRNA翻译的GFP蛋白的荧光信号均强于HEK-Exo。这些数据表明使用Lung-Exo作为呼吸系统疾病吸入治疗的药物递送载体在肺组织中的清除率低，可以显著提高mRNA及蛋白质药物的在肺组织中的生物利用度（图1）。
图2 | mRNA和蛋白质被递送至气管、细支气管和薄壁组织。(a) 吸入mRNA和蛋白负载的Lung-Exo、HEK-Exo和Lipo的全肺、气管、细支气管和肺泡切片的代表性图片。GFP（绿色）、RFP（红色）、细胞核（蓝色）。(b) 气管、(c) 细支气管、(d) 肺实质中GFP及RFP信号强度定量分析。随后，作者对上述三种纳米颗粒载体对其携带的mRNA和蛋白质药物在肺组织中的细胞分布的影响进行了组织学研究。结果显示，以Lipo作为载体经雾化吸入后，mRNA及蛋白质主要被递送至气管腔内上皮细胞中，而外泌体作为载体可将mRNA和蛋白质递送至支气管上皮细胞及肺泡上皮细胞中。这些数据表明，mRNA和蛋白质货物在肺组织中的细胞分布受到其纳米颗粒载体表型的显著影响。与合成脂质体及其他细胞来源的外泌体相比，来自肺组织细胞分泌的外泌体具有天然的肺靶向特征，可以将其携带的mRNA和蛋白质货物更好的递送至支气管及肺泡中（图2）。综上所述，该研究表明在对小鼠进行雾化吸入给药后，外泌体和脂质体均可以将功能性mRNA和蛋白质药物递送至肺组织中。与通用型细胞外泌体HEK-Exo及脂质体Lipo相比，源自人肺球细胞来源的外泌体Lung-Exo在肺组织中的清除率低，可以将其负载的药物递送至呼吸道末端，均匀分散在肺实质中，增加了mRNA和蛋白质药物的肺内生物利用度。此外，接收雾化吸入Lung-Exo的小鼠肺组织中显示出最高的mRNA翻译和蛋白质表达，这进一步表明肺源性外泌体是用于吸入治疗呼吸道疾病的理想载体。目前，北卡州立大学已将该外泌体肺部给药技术专利授权至由程柯教授参与创办的Xsome Biotech生物技术公司进行后续的开发和临床研究。参考文献：Popowski, K.D., et al., Inhalable exosomes outperform liposomes as mRNA and protein drug carriers to the lung. Extracellular Vesicle, 2022: p. 100002. DOI: 10.1016/j.vesic.2022.100002
Extracellular Vesicle (Elsevier)是细胞外囊泡研究转化领域著名科学家Raghu Kalluri（Codiak BioSciences科学创始人）主创，由美国细胞外囊泡协会 （AAEV）和爱思唯尔出版集团共同创办的一本主打细胞外囊泡相关研究的英文新刊，同时也是美国细胞外囊泡协会的官方期刊。期刊以细胞外囊泡为中心，聚焦细胞外囊泡相关基础研究、产业转化及临床应用三大研究领域，旨在打造为细胞外囊泡领域综合性顶级期刊。
更多详细信息，请访问Extracellular Vesicle (Elsevier)杂志主页。https://www.journals.elsevier.com/extracellular-vesicle
外泌体资讯网 Extracellular Vesicle 创刊号首文！北卡州立大学程柯：可雾化吸入外泌体是向肺部递送mRNA及蛋白质的理想载体
