在肿瘤治疗领域,为何它是半路杀出的黑马?

  来源: 赛先生

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  撰文 | 丁    零

  责编 | 叶水送

  癌症靶向疗法的新宠

  抑制外泌体可借鉴预防蚊虫叮咬的策略:第一招,直接杀死蚊虫,即破坏外泌体的合成和分泌;第二招:所谓不敌其力,而消其势。换而言之,就是留蚊虫一条生路,却让它的叮咬无害。若不能把外泌体扼杀在摇篮,就抑制它的进攻能力;第三招:涂上六神花露水,让蚊虫无法靠近。想象一下,释放出的外泌体无处可去,那就是没有任何威胁力的流浪汉,而不是凶悍的霸凌。

图一:外泌体靶向治疗策略,图片来源:Trends Pharmacol Sci, 2016. 37(7): p. 606-17图一:外泌体靶向治疗策略,图片来源:Trends Pharmacol Sci, 2016。 37(7): p。 606-17

  A。破坏外泌体合成和分泌

  生产和分泌外泌体的机器由几位“工程师”操作,包括类肝素酶、液泡ATP酶和Rab家族。类肝素酶在侵袭性肿瘤中高表达并能驱动大规模的外泌体分泌,其具体机理还有待研究。但液泡ATP和外泌体合成的关系就更为清晰。它可以有效地促进多泡小体和细胞膜的融合,从而孕育出爱的结晶外泌体。Rab家族的成员之一Rab27a,当它沉默不发号施令时(基因敲除),外秘体的分泌显著减少,而肿瘤转移也受到了阻碍。值得注意的是,Rab27a的亲兄弟Rab7b在调节外泌体分泌的功能上大不相同。就如同葫芦娃七兄弟一样,各有各的本事。

  庆幸的是,这几位工程师都有能克制它们的对手。类肝素酶的死对头,PG545和M402,在动物模型中成功显示出抗肿瘤转移活性。

  当然,除对付外泌体外,类肝素酶还有其他和癌症有关的功能。而液泡ATP的抑制剂也已被证明可干扰外泌体释放,并具有改善耐药性的双重作用。 

  B。调包外泌体

  姜黄素,顾名思义和姜有关,这是从姜科植物的根茎中提取的一种化学成分,是居家必用的好调料,也是几千年来中国和印度的传统草药成分。著名的医药公司强生还生产过姜黄素创可贴,用来促进伤口愈合。

  那这黄黄的、辣辣的东西和癌症有什么关系呢?因其有抗氧化和抗炎症作用,大量的研究证明姜黄素对肿瘤发展的抑制作用。最近的研究表明,姜黄素还可以“狸猫换太子”,把癌细胞外泌体投递的、帮助癌症生长的危险包裹给换掉。

  C。阻断外泌体签收

  试图阻断外泌体签收。要么在外泌体运输的途中把它干掉,要么就是阻止它进入受体细胞。怎么在运输途中半路截胡外泌体呢?一种方法是安插人造的外泌体,正牌外泌体以为遇到了同伴,趁着它放松警惕的时候捣乱。比如说,如果正牌外泌体携带微RNA,就可以在人造外泌体里加入和这种微RNA互补的寡核苷酸,紧紧抱住危险微RNA不让它去使坏。

  当外泌体进入受体细胞时,会和受体细胞表面的硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(HSPG)受体结合。显而易见,如用药物把HSPG受体的结合位点给占据,那外泌体就无从下手。而肝素便是这可以和外泌体抢占山头(HSPG)的有力竞争者。

  外泌体是液体活检的黑马

  肿瘤液体活检,最大特点就是不动刀、只见血,也就是说不需要从病人体内刮组织,只需要取血。当下最流行的四种液体活检生物标记物分别是循环肿瘤细胞(CTC),循环肿瘤DNA(ctDNA)/无细胞DNA(cfRNA)、循环RNA,以及这些年常上头条的肿瘤外泌体。获取样品后通过高通量测序技术解密各种信息,以此侦查肿瘤行踪和动态来帮助诊断和对症下药。

  2017年,《世界经济论坛》全球十大新兴技术榜单液体活检荣膺榜首。外泌体想从这四大液体活检家族脱颖而出可不简单。

  先说说老大哥循环肿瘤细胞,是这几位里唯一拥有心肝脾肺肾的完整个体,其信息量显然最全面。但哪怕是晚期癌症患者,每毫升血仅有1-10个循环肿瘤细胞。病人身体本来虚弱,靠大量取血获得足够样本显然不现实。再者,想象一下要从上亿个白细胞、红细胞里找这屈指可数的循环肿瘤细胞,简直就是大海捞针。

  那DNA和RNA呢?姑且不追究同一病人运动前后血液里DNA / RNA都有差异的事实,也暂且设定未来技术可有效分离肿瘤以及正常细胞的DNA / RNA(正常细胞DNA / RNA约占血液总DNA / RNA的95%),能从这两兄弟得到的信息只是冰山一角。毕竟从DNA / RNA 到蛋白表达,功能,再到和微环境的相互制约,是一个复杂的多因素调控过程。

图二:液体活检在癌症治疗和诊断的贡献,图片来源:Transl Lung Cancer Res, 2016. 5(5): p. 466-482.图二:液体活检在癌症治疗和诊断的贡献,图片来源:Transl Lung Cancer Res, 2016。 5(5): p。 466-482。

  外泌体是不是就是当之无愧的液体活检神器?暂且卖个关子。先聊聊致力于外泌体肿瘤诊断的代表企业。

  首当其冲的便是成立于2008年的Exosome Diagnostics,一个着实多金又多朋友的主。短短十年,Exosome Diagnostics已完成了一个亿的小目标,并且广交朋友,包括医药界的巨头武田、默克、安进以及全球科研工作者都熟悉的供应商凯杰(QIAGEN),还在2017年八月加入了医疗保险界朋友圈,和保险商CareFirst加为盟友,以此推进其头牌产品EvoDx的商业化。

  2016年1月,Exosome Diagnostics推出了世界首款从血液样本分离和分析外泌体RNA的液体活检产品,可灵敏、准确、实时检测非小细胞肺癌(NSCLC)患者的EML4-ALK突变,而针对前列腺癌的,则是采取尿液样本来收集外泌体。

  2020年新冠疫情期间,Exosome Diagnostics推出了“家用版”前列腺测试,可见其雄心勃勃要保持江湖霸主的地位,难怪2018年,Bio-Techne 给Exosome Diagnostics投来了2.5亿美元的橄榄枝,将其纳入麾下。

  这家靠着外泌体发家的公司,并没有排斥同行,而是抱着合作的态度。2017年年底发表了一篇关于非小细胞肺癌(NSCLC)患者中EGFR液体活检检测的研究。该研究表明,与检测ctDNA比,同步检测cfDNA和外泌体RNA可将灵敏度提高10%左右。可惜的是文章并没有展示外泌体RNA单独的检测灵敏度。

图三:EXO1000平台分析外泌体RNA+cfDNA(exoNA)和ctDNA分析比较,图片来源:Ann Oncol. 2018 Mar; 29(3): 700–706

图三:EXO1000平台分析外泌体RNA+cfDNA(exoNA)和ctDNA分析比较,图片来源:Ann Oncol。 2018 Mar; 29(3): 700–706

  由此可见,尽管外泌体有它的优势,但合作才是硬道理。现在再回到之前提到的疑问,外泌体就一点缺点都没有吗?显然不是。

  和循环肿瘤细胞比较,外泌体数目上有绝对的优势,但它的提取纯度和数量依旧不尽如人意。再者,外泌体来源胞浆,所以DNA含量相对来说很少,这也是为何Exosome Diagnostics会选择同时检测cfDNA和外泌体。再者,外泌体是来源于一系列基因多样的肿瘤细胞,如何在多异化中寻找信息也是一大挑战。

  在一家独大的情况下,可想而知若没有独门武器,很难抢占一席之地。在这种形势下,另一家公司,Peregrine Pharmaceuticals(2018年改名为Avid Bioservices)与Exosome Diagnostics以核酸作为切入点的战略不一样,而是通过测量血浆中含有磷脂酰丝氨酸(PS)的外泌体水平来区分健康者和卵巢肿瘤患者,以全新的概念在外泌体诊断市场上分一杯羹。

  概念认证实验中分析了34名卵巢肿瘤患者和10名健康受试者血浆外泌体表达PS的水平,结果显示,卵巢癌患者的外泌体PS水平明显高于健康受试者。

  如何将外泌体变为武器,杀伤肿瘤细胞

  上文我们聊到以外泌体为靶向作为癌症治疗的策略,如果单纯是这样,那就一点都不新鲜了。开个脑洞,癌细胞可以释放外泌体作为武器,可别忘了癌细胞也可以吸收外泌体。这就给了人类机会设计外泌体给癌细胞下毒,于是就有了这两个享誉江湖的“黄药师”。

  第一个叫Codiak BioSciences,成立于2015年,最开始也是外泌体诊断起家,利用外泌体中的KRAS突变基因来诊断胰腺癌。借助日益成熟基因工程,Codiak创始人Raghu Kalluri 充分利用了中国古典智慧:以其人之道还治其人之身。通过体外改造将特异靶向KRAS突变基因的RNAi(RNA干扰)偷偷安插到外泌体内,直接把KRAS突变基因给敲掉。

  提到这,懂行情的人就有疑问了。虽然KRAS属于“不可成药” 靶点,但这几年AMG510和MRTX849等小分子药物都有不错的临床数据。再者传递RNAi可以别的载体呀,比如脂质体等纳米颗粒。妙就妙在这里,外泌体是纯自然的,可防止被免疫系统排斥。

  事实上,外泌体上有众人皆知的“不要吃我” 小分子CD47有了这个标签,外泌体就不会被循环单核细胞生吞。

图四:携带SiRNA外泌体靶向KRAS基因突变的示意图,图片来源:Nat Rev Gastroenterol Hepatol, 2017. 14(11): p. 636-638图四:携带SiRNA外泌体靶向KRAS基因突变的示意图,图片来源:Nat Rev Gastroenterol Hepatol, 2017。 14(11): p。 636-638

  凭借外泌体前沿研究,Raghu Kalluri团队在顶级杂志《自然》连续发表了两篇论文。虽然中间上演了一出沸沸扬扬的“作假”风波,但丝毫没有动摇投资人的信心,几年时间内,在没有任何临床试验的前提下,已经下注1.68亿美元。Codiak还有望成为第一家成功上市的外泌体公司(原计划2019年上市)。

  在蓬勃发展道路上Codiak 不忘初心,也与时俱进。2020年6月宣布和罕见病精准基因治疗领域的明星企业Sarepta Therapeutics达成合作,共同设计和开发基于外泌体技术的基因疗法,用于治疗神经肌肉疾病,引发了新一波的外泌体和基因疗法双剑合璧的热潮。

  另一家利用外泌体治疗癌症的公司Exovita Biosciences也成立于2015年,它的治疗理念更为奇特。某年某月的某一天,新墨西哥大学Kristina Trujillo 教授出于好奇,用癌组织附近5厘米处组织分泌的外泌体处理癌细胞。第二天醒来,意外发现癌细胞全死翘翘了。Trujillo难以置信,可接下来在不同病人身上取的组织都有同样的效果,并且这些外泌体对正常细胞并没有任何副作用。

  Exovita Biosciences 成立以来火势很猛,同年便拿了170万科研基金。可自此之后没有任何动静,这不得不让人担忧,会不会又是一场龙头蛇尾的演绎。毕竟,这个故事 too good to be true (精彩得让人难以置信)。

  除了利用外泌体治疗癌症,另一条思路是把外泌体当作药物的传递工具。被谷歌基金看好的Evox Therapeutics 是此领域比较成熟的公司,主要针对神经相关的疾病,2020年6月和礼来签署了 12 亿美元的合作协议,开发 RNA干扰和反义寡核苷酸药物递送外泌体载体。

  作为纯天然的载体,上文提到外泌体可逃避人体免疫细胞的追击,除此之外,外泌体还有潜力解决神经类药物的一个老大难问题,就是穿越血脑屏障,并且能在极端条件(比如酸,消化酶等)下生存,给实现口服提供了可能性。

图五:外泌体穿越血脑屏障示意图,图片来源:Cell Mol Bioeng. 2016 Dec;9(4):509-529图五:外泌体穿越血脑屏障示意图,图片来源:Cell Mol Bioeng。 2016 Dec;9(4):509-529

  结语

  《礼记・大学》云:是君子无所不用其极。在和癌症斗争的历史里,人类做过无数次的尝试,从小分子,到大分子核酸、蛋白,再到细胞治疗,而外泌体作为介于分子和细胞之间的微小结构,是不是一颗崭露头角的遗珠呢?

图六:外泌体在癌症中的应用,图片来源:Int J Mol Sci. 2020 Jul 28;21(15):E5373图六:外泌体在癌症中的应用,图片来源:Int J Mol Sci。 2020 Jul 28;21(15):E5373

  现阶段还有很多技术问题必须解决,其中外泌体药物生产工业化(规模、纯度、成本、一致性和标准化)是目前面临的重大挑战。只有从根本上破解外泌体在肿瘤发展中的真实作用,后期临床才不是空中阁楼。任重道远。

  作者简介:

  丁零,生物化学博士,青年写作者。曾就职霍华德·休斯医学研究所及MD安德森癌症中心,现从事咨询行业。

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