遇见外泌体药物输送的后起之秀

来源:荣格国际医药商情

发布时间:2019年6月20日下午 01:06:58

制药行业一直希望使用囊泡包装小分 子、蛋白质和 RNA 药物,甚至将它 们本身用作治疗。数以百万计的细 小膜泡从细胞中释放出来并携带各种分子, 现在正在通过你的血液流动。但目前,只有 少数研究人员在专注这种小囊泡。

约翰霍普金斯大学医学院教授 Stephen J. Gould 是这些科学家之一。十多年来, Gould 花费了大量的时间和资源来研究令人 好奇的细胞信使。这些脂质囊泡称为外泌体, 可以在相邻和远端细胞之间传递蛋白质和遗 传信息。

现在,它们已成为药物输送的工具。几 十年来,科学家已经了解了外泌体。2006 年, PubMed 中只有 508 篇文章被提到了它们。 如今,该主题的搜索带来了超过8,000次点击, 其中包括过去一年的几个高质量出版物。

该研究领域火起来部分归因于哥德堡 大学的瑞典科学家 Jan Lötvall。外泌体长期 以来被视为仅仅是从细胞中抛出的微小垃圾 囊,但 Lötvall 在 2007 年研究表明,一些细 胞相互之间使用外泌体转移遗传物质——信 使 RNA,使蛋白质和 microRNAs 调节基因 的表达(Nat.Cell Biol.2007,DOI:10.1038/ ncb1596)。这一发现让科学家们意识到外 泌体可能参与健康和疾病病理生理过程,甚 至可以利用外泌体作为治疗方法。

Lötvall 的研究是里程碑式的。囊泡参与疾病的发生发展,包括癌症和代谢病症, 如糖尿病和肥胖症。最近的一项研究甚至指出,外泌体是分泌淀粉样蛋白 β 的罪魁 祸首,淀粉样蛋白 β 是一种在阿尔茨海默病患者大脑中积聚的斑块形成蛋白。如果 外泌体可以如此容易地携带传播疾病的分子,科学家们开始认为它们可能对阻止疾 病进展有用。

Codiak 是越来越多的生物技术初创公司之一,他们试图劫持信使系统,将药物 运送到身体某些部位的细胞中。Codiak是投资者的宠儿,自2016年以来筹集了近1.7 亿美元,但在过去的几年里,还有十多家公司也开始研究基于外泌体的疗法。有些 公司是由同行评审的研究支持的;也有些公司被怀疑是兜售外泌体作为万灵药。

像 Codiak 一样,许多人正在操纵外泌体来解决一系列令人眼花缭乱的治疗药物 传递问题:小分子、RNA 疗法、蛋白质、病毒基因疗法,甚至是 CRISPR 基因编辑 工具。细胞和动物的研究表明,这些成分外泌体都可以包装。

还有一些人正在利用外泌体本身,当源自干细胞时,可能成为再生医学的新分支。 几家公司已经说服大型制药公司使用他们的技术。

对于 Gould 来说,突如其来的兴趣令人震惊。就在两年前,“人们会说我们非 常接近了解生物学,但离治疗和诊断还很遥远。”他说。然而,基于外泌体的癌症 诊断已经可用,并且多种外泌体疗法可以在明年的临床试验中开始测试。

药物载体

Williams 记得 2011 年他加入制药公司担任研发副总裁后不久就和他的 Biogen 同事一起聊聊了外泌体。牛津大学 Matthew J. A. Wood 小组的一项研究,其令人 震惊的证据表明外泌体携带小干扰 RNA(siRNA)可以到达小鼠脑内的细胞(Nat. Biotechnol。2011,DOI:10.1038 / nbt.1807)。一旦超过大脑的保护屏障,遗传物 质就会降低BACE1的产生,BACE1是一种参与阿尔茨海默病的蛋白质。Williams说: “我对这个概念很感兴趣,但我们从未在 Biogen 开展过这方面事情。”

然后在 2015 年,在访问德克萨斯 大学 MD 安德森癌症中心期间,Williams 了解了癌症生物学家 Raghu Kalluri 和 Valerie LeBleu 实验室正在进行的工作。 他们使用外泌体成功地将 siRNA 疗法传递 给小鼠的癌细胞。

这项研究有可能克服科学家们十多年 来一直在努力解决的问题:让 siRNA 进 入正确的细胞。合成脂质纳米粒子已成为 siRNA和其他RNA疗法的主要递送装置, 但它们可在人体内引起毒性免疫应答。多 年来,尽管他们的设计已经有所改善,但 它们仍然因在肝脏中聚集而臭名昭着,这 限制了制药商能够有效针对的疾病种类。

Kalluri 的数据显示,虽然许多外泌体 也聚集在肝脏中,但是大量的外泌体也能 够前往其他器官,包括胰腺。他的团队使 用它们来递送 siRNA,这种 siRNA 阻止了 一种叫做 KRas 的突变蛋白的产生,这是 最“不可挽回的”癌症靶点之一。

静脉注射 Kalluri 的载有 siRNA 的外 泌体可以比载有 siRNA 的脂质纳米颗粒的 类似注射更好地抑制小鼠的胰腺癌,并且 没有任何明显的免疫反应(Nature 2017, DOI:10.1038 / nature22341)。“ 这 对 我来说是个重要时刻,” Williams 回忆道。

Kalluri 与麻省理工学院和哈佛大学 Broad 研究所的 Eric Lander 联合创办 Codiak,Williams 离开 Biogen 成为初创 公司的首席执行官。Codiak 现在推进其自 己的 KRas 计划以及使用外泌体递送小分 子和多肽的其他计划。“似乎所有的细胞 都会产生外泌体,所有的细胞都可以吸收 它们,” Williams 说。“外泌体适用于每 个治疗领域。”

MD 安德森的 LeBleu 希望癌症中心 今年开始进行临床试验,对她和 Kalluri 的 胰腺癌治疗进行测试。他们实验室的装载 了 siRNA 的外泌体,还可以追踪其它的靶 标。“我们可能已经找到了一种可以彻底 改变无法成药(undruggable)方法的工 具,”她说。

其他公司也在蓬勃发展。“该领域正 在大规模扩张,”Evox Therapeutics 公 司首席执行官 Antonin de Fougerolles 表 示。该公司由牛津大学教授 Wood 共同创 办,他使用外泌体将 siRNA 转入小鼠大 脑。Evox 正在开发基于外泌体的罕见疾 病治疗方法,特别是需要进入大脑的疾病。 这家初创公司已经与德国巨头 Boehringer Ingelheim 和第二家未透露的制药公司建 立了合作伙伴关系。

另一家初创公司 Anjarium Biosciences 正在创造所谓的杂交体,合成脂质纳米粒 和天然外泌体的混搭。马萨诸塞州综合 医院的 Casey Maguire 领导的一个小组已 经在外泌体中包装了一个腺相关病毒基 因治疗——他称这个组合为一个病毒体 (vexosome)——将病毒转运到通常很 难到达的细胞中,例如内耳感觉细胞。另 一个研究小组最近使用微囊泡——外泌 体的“表亲”——将蛋白质、mRNA 和 CRISPR/Cas9 基因编辑系统递送到细胞中。

外泌体本身用于治疗

除了工程外,如果外泌体被证明是有 效的药物递送载体,它们的成功可能源于 它们与人体的相容性。这就是为什么几个 团队正在寻找天然外泌体的替代来源。还 有很多其他人认为外泌体本身会治疗许多 疾病。

Stella Kourembanas 和 S. Alex Mitsialis 没有想着成为外泌体专家。这两 位波士顿儿童医院的科学家花费了十多年 的时间,试图挖掘干细胞的潜力,为肺部 严重受损的新生儿创造再生疗法。他们的 团队证明,人类间充质干细胞(MSCs)—— 可以转化为多种细胞的成体干细胞——可 以通过减少炎症和修复肺组织来治疗肺病 动物模型。

他们的第一个猜测是,MSCs 通过与 受损组织融合并成为肺细胞而起作用。但 仔细观察发现供体干细胞没有驻留。“这 是一个悖论,”Mitsialis 说。

这导致团队长达数年的时间来解释细 胞的再生特性。2012 年,研究人员最终 表明,MSCs 释放的细胞外囊泡可预防小 鼠肺损伤。然后该小组花了几年时间学习 如何从干细胞中分离和纯化外泌体。去年, 他们发现 MSC 衍生的外泌体对治疗患有 严重肺病的小鼠有治愈效果。

现在,该团队正在与美国食品和药 物管理局以及一个未公开的行业合作伙伴 进行谈判,以便在新生婴儿中使用外泌体 来治疗同样的疾病,称为支气管肺发育不 良,其患病率随着早产儿存活率的增加而 增加。

“美国食品和药物管理局希望 确保我们治疗风险最高的最严重的婴 儿,”Kourembanas 说道,他也是波士 顿儿童医院新生医学部门的负责人。“我 认为急于将干细胞送入诊所时,有许多步 骤没有得到仔细考虑,”她说。“我们不 能用外泌体重复这一点。”

在许多情况下,尚不清楚外泌体内 的哪些分子具有治疗特性,但是几个干细 胞公司仍在转向外泌体。例如,Capricor Therapeutics,成立于 2005 年,开发源 自心脏组织的干细胞疗法,现在使用来自 相同细胞的外泌体试图治疗心脏和炎症。 Capricor 与美国陆军合作,用外泌体治疗 野外创伤相关疾病。

ArunA Biomedical 成立于 2003 年, 最近在中风的啮齿动物和猪模型中测试了 源自人类 MSCs 和神经干细胞的外泌体。 该公司报告改善了动物脑细胞和运动神 经。ArunA 首席执行官 Steven Stice 说, 到 2020 年,该项目的外泌体临床试验可 以开始。

还有一些公司采取不那么谨慎的方 法,放弃传统的临床试验和 FDA 批准, 直接面向消费者。通常是那些流氓干细胞 治疗诊所,这些公司正在诱使客户提出未 经证实的声明,表明外泌体可以帮助美容、 勃起功能障碍、免疫疗法、整形外科等。

虽然干细胞在动物研究中表现出奇 迹,但在人类身上的成功却难以找到。即 使在动物研究中,尚不清楚是什么使干细 胞衍生的外泌体发挥治疗作用。“这是我 做的每一个演讲中提到的问题,”波士顿 儿童医院团队研究员 Gareth Willis 说。他 说“将外泌体视为管弦乐队而不是一种乐 器。”蛋白质和 RNA 分子的组合可能比 任何一种化合物都重要。

包括干细胞生物学家 Raj Kishore 在 内的一些科学家希望阐明这一分子之谜。 Kishore 和他在天普大学的同事去年从国立 卫生研究院获得了 1160 万美元的资助,用 于研究心脏修复中干细胞衍生的外泌体。

“我们应该尝试更多地了解这种机 制而不是急于治疗,”Kishore 说。“我不希望看到这个领域像干细胞治疗领域 一样死掉,因为不了解这些机制是如何 运作的。”

即使学术实验室和生物技术公司开始 使用外泌体来递送治疗剂或将囊泡用作治 疗剂本身,它们也面临着一系列技术问题。 马萨诸塞州综合医院的研究员 Xandra O. Breakefield 说:“制造足够量的囊泡是最 大的挑战之一。”现在,科学家们收集了 从实验室培养的细胞中吐出的外泌体。“然 后,当你得到你的囊泡,就如何分离它们 存在很多不同意见。”

另一个问题是细胞外囊泡多样性。虽 然研究人员曾经认识到两个主要类别,即 外泌体和微泡,“现在我们意识到还有许 多其他类型的囊泡,我们不知道如何分离 它们,”Breakefield 说。

约翰霍普金斯大学的 Gould 补充说: “这使很多人的实验变得复杂,”他也是 Tavec 制药公司的科学顾问,这是一家开 发抗癌外泌体的初创公司。如果所有外泌 体的大小不同并因此装载不同量的药物, 则基于外泌体疗法的实验中的一致性和可 重复性可能受到损害。

由于一些科学家正在研究从单一细胞 系产生的多种外泌体,其他人正在寻求多 样性。一家初创公司正在寻找来自细菌、 真菌、植物和动物的新型外泌体。还有一 组正在开发水果衍生的外泌体疗法来提供 抗癌药物。

制药行业也开始关注。早些时候, 罗氏同意向 PureTech Health 支付高达 3600 万美元的费用,用于获取从牛奶中 提取的外泌体。“哺乳动物的乳汁中含有 外泌体,”PureTech 首席科学官 Joseph Bolen 说。

罗氏打算在外泌体中包装反义寡核苷 酸用于口服递送。Bolen 说,同样的方法 可能适用于通常采用注射方法的其他核酸 和生物疗法。“我们绝对相信这将得到广 泛应用,”他说。

几乎所有从事外泌体治疗的人都在使 用不同的外泌体来应对不同的疾病。他们 正在快速地做到这一点。这可能有助于推 动该领域向前发展,也有可能在出现问题 时难以进行故障排除。Breakefield 看到了 外泌体基因治疗早期的阴影。

“对于这个领域来说,这是一个危险 的时刻,”她说。“因为如果他们得到一 些非常兴奋的结果,他们会非常自信地工 作;而且事情一旦出了问题,它会让每个 人都放弃。” 

尽管如此,经历多年怀疑的科学家 仍持乐观态度。“几乎没有人是刻意进入 这个领域,” Gould 说。相反,他认为 向外泌体方法的转移是科学家追逐疾病的 基本生物学、开发诊断或试图找到更好的 药物输送方式的结果。“这说明它们在生 物学和医学的几乎每个方面都很重要,” Gould 说。“总结一句,潜力巨大。”

 

 

编译自:美国化学学会(RyanCross)

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