细胞外囊泡信号传递新视角：超越内化的表面信号模式
作者与期刊信息 本文是一篇发表于《Advanced Materials》期刊的展望性文章（Perspective），文章在线发表日期为2026年3月3日，修订于2026年2月25日，收稿于2025年11月7日。主要作者包括来自澳大利亚悉尼大学（The University of Sydney）药学院的Wojciech Chrzanowski以及瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University）生物医学工程系的Wojciech Chrzanowski，以及来自澳大利亚昆士兰大学（The University of Queensland）化学工程学院和澳大利亚生物工程与纳米技术研究所的Joy Wolfram。两位作者均为通讯作者。
文章主题 本文的核心主题是对细胞外囊泡（Extracellular Vesicles， EVs）介导细胞间通讯的传统范式进行重新思考。文章挑战了将EVs的细胞摄取（internalization）及胞内货物释放作为其主要信号传递机制的主流观点，并系统性地提出了两种基于表面结合而不需要内化的替代信号模式：“结合-停留”（bind-and-stay）和“结合-离开”（bind-and-leave）。文章旨在提供一个前瞻性的视角，探讨不同EV信号传递模式的效率与有效性，并概述了可用于研究这些相互作用的技术手段。
主要观点与论述
1. 重新定义EV信号传递模式：从“一对一”到“一对多” 文章开篇即指出，长期以来，EVs介导的细胞间通讯被普遍描绘为：EVs被受体细胞内化，其生物活性货物在胞质中释放，从而调控受体细胞的基因表达和功能。然而，作者认为这种“一个囊泡对应一个细胞”（one-vesicle-one-cell）的模型可能并非故事的全部，甚至可能不是最有效的信号传递方式。
作者提出了三种可能的EV信号传递模式，并根据其“效率”（efficiency，指资源利用最优，如一个EV影响多个细胞的速度和数量）和“有效性”（effectiveness，指实现生物学目标的程度）进行了对比分析： * 结合-内化（Bind-and-internalize）：即传统模型。其效率较低，因为一个EV通常只能被一个细胞摄取，且内化后仅有少量货物能逃逸内体（endosomal escape），大部分在溶酶体中被降解。然而，其潜在有效性可能很高，因为一旦货物成功进入胞质，可通过转录和翻译调控产生持久、多方面的效应。 * 结合-停留（Bind-and-stay）：EVs与受体细胞膜长时间结合但不内化。例如，携带抗原的EVs附着在树突状细胞表面，辅助其向适应性免疫系统呈递信号。这种模式允许信号在细胞表面持续存在。 * 结合-离开（Bind-and-leave）：这是本文着重强调的一种高效模式。EVs与细胞表面受体发生短暂结合，触发下游信号通路后随即解离，从而能够依次影响多个细胞。文章举例，EVs表面的程序性死亡配体1（PD-L1）可瞬时结合T细胞上的程序性死亡蛋白1（PD-1），传递抑制信号。这种瞬时、可逆的相互作用类似于可溶性配体-受体作用，但EVs作为载体可能提供保护、聚集、整合共刺激信号和改变生物分布等优势。研究表明，当配体固定在EV样囊泡上时，其信号潜能比可溶形式高出100倍以上。
2. EV表面信号传递的优势与机制 作者详细论证了表面信号传递可能比内化更具优势。首先，EVs拥有比细胞大100倍以上的表面积体积比，这使其天生适合进行表面信号传递。其次，EV表面可作为支架，将多个配体聚集在一起，与细胞表面多个受体对同时作用，实现信号的微调和协同放大。配体的时空分布、密度和簇集状态是调节这种相互作用的关键参数。例如，CD9等分子可能主要负责将EVs粘附到细胞膜上，为其他配体（如LFA-1与ICAM-1）的结合和下游信号触发提供便利。
文章指出，为了实现“结合-离开”或“结合-停留”，EVs表面可能含有防止内化的分子，如与吞噬细胞表面SIRPα结合的CD47，能触发抑制内化所需细胞骨架机制的信号。
3. 循环系统中的EVs及其信号模式 文章探讨了EVs在淋巴和血液循环中进行长距离信号传递的背景。作者通过比较循环系统中不同表面信号实体（如高密度脂蛋白HDL、低密度脂蛋白LDL、血小板、中性粒细胞和EVs）的丰度与表面积，发现EVs的数据点最偏离拟合趋势线。作者推测，这种偏离可能源于EVs同时采用了表面介导和内化依赖两种信号机制，而其他实体（如脂蛋白、血小板）主要进行非内化的表面相互作用。有趣的是，在癌症、炎症等病理状态下，循环EVs水平通常升高，使其数据点更接近趋势线，这引发了一个问题：在生理和疾病状态下，主导的EV信号模式是否不同？
4. EV信号模式对治疗开发的启示 本文用了相当篇幅阐述理解EV信号模式对于开发EV疗法的关键意义。作者指出，目前进入临床试验的EV疗法（如间充质干细胞来源的EVs）其作用机制常被归因于microRNA等内部货物的递送。然而，有证据表明，天然EVs中microRNA的含量可能不足以产生所观察到的治疗效果。因此，其治疗效应更可能由表面信号或微环境调控所驱动。这种机制上的不确定性会影响疗效、安全性和监管审批。
根据主导的信号模式，EV的工程化策略应有所不同： * 若疗效依赖内化及胞质释放：则需要工程化策略来克服内体逃逸屏障。例如，在EV膜上掺入融合原（如VSV-G蛋白）以促进与细胞膜或内体膜的融合，提高货物递送效率。但需注意病毒融合原可能引发的免疫反应。 * 若疗效依赖表面信号：则可能需要工程化策略来防止细胞摄取。例如，在EV表面展示CD47、CD24等“别吃我”信号，以减少被吞噬细胞清除，延长循环时间，增强与靶细胞的表面相互作用。此外，需考虑EV生物分子冠（biomolecular corona）的影响。冠层可能增强或掩盖EV表面的信号分子，因此，工程化策略可能不是直接修饰配体，而是设计EV表面以吸引有利的冠层（如载脂蛋白以穿越血脑屏障），或使用可切割的PEG等聚合物来动态调控冠层形成和配体暴露。 * 针对病理EVs的阻断策略：在癌症等疾病中，靶向并阻断病理性EVs的信号传递是另一种治疗思路。例如，使用肽段裂解表达PD-L1的癌症EVs，或使用抗体标记EVs以便免疫清除，或使用内吞抑制剂、抗CD9抗体Fab片段等阻断EVs被受体细胞摄取。
5. 评估EV-细胞表面相互作用的技术挑战与前景 作者承认，由于EVs的纳米级尺寸和高度异质性，在技术上解耦不同信号模式并评估各自对生物学结果的贡献极具挑战性。文章批判性地回顾了现有方法的局限性： * 荧光染料标记追踪：染料可能从EVs脱落或形成纳米结构，导致假阳性。 * 内吞抑制剂（如细胞松弛素D）或低温培养：这些方法虽然能抑制内吞，但同时也可能影响细胞骨架和信号通路，并非完全可靠。 * 更可靠的方法包括监测快速的表面依赖性读数，如磷酸化事件、钙流；以及使用更温和的EV分离方法（如切向流过滤、低流速尺寸排阻色谱）以避免损伤EV膜和表面分子。
为了最终证明单个EV能依次与多个细胞发生瞬时相互作用并影响其功能，需要将单颗粒追踪技术与单细胞反应读数相结合。未来，冷冻透射电镜结合免疫金标记、直接随机光学重建显微镜（dSTORM）等先进技术，将有助于在单颗粒水平揭示EV表面生物分子的分布及其与膜蛋白的时空相互作用。
6. 未来展望与未解问题 文章最后提出了该领域尚待解决的关键问题： * 信号模式的相对贡献与上下文依赖性：不同信号模式（结合-离开、结合-停留、结合-内化）的相对贡献是什么？单个EV是否会依次使用多种模式？信号模式很可能高度依赖于上下文，由EV亚群、受体细胞类型（如吞噬细胞vs非吞噬细胞）和组织微环境共同决定。 * 效率与有效性的权衡：表面信号（尤其是结合-离开）在“一个囊泡影响多个细胞”的意义上是高效的，而内化则因溶酶体降解和高比例的“一对一”机制而效率较低。但哪种模式最有效，可能因具体生物学场景而异。内化信号的低效率可能通过信号放大机制来补偿，例如，初级EVs被摄取后，触发受体细胞释放具有放大效应的次级EVs。 * 异质性与多功能性：EV制剂的异质性通常被视为治疗开发的障碍，但这种异质性可能是其实现多功能性的关键。生物过程往往需要同时激活和/或抑制多条通路，EV亚群的混合物可能恰好能协同实现这一点。因此，在最小化异质性以确保产品一致性和利用异质性以实现治疗信号之间找到平衡至关重要。
文章的意义与价值 这篇展望性文章具有重要的理论意义和实际指导价值。在理论层面，它系统性地挑战和拓展了EV信号传递的传统认知框架，将研究视角从单一的“内化-释放”模型，引向包含表面瞬时信号和持久结合在内的更丰富、更动态的图景。这为理解EV在生理和病理过程中的复杂作用提供了新的思路。
在应用层面，文章为EV疗法的理性设计提供了清晰的路线图。它明确指出，针对不同的预期作用机制（表面信号 vs. 胞内递送），需要采取截然不同甚至相反的工程化策略。这有助于避免研发中的盲目性，提高疗法的成功率。同时，文章也强调了在基础研究中采用多种创新技术和系统方法，以解耦不同信号模式的重要性，为未来研究方向的设定和技术开发提供了宝贵的指导。
本文通过对现有证据的梳理和对未来方向的展望，有力地论证了重新思考EV信号传递模式的必要性，并呼吁领域内研究者超越固有范式，以更全面的视角探索EV生物学，从而推动基础科学发现和转化医学应用。