外泌体是什么？一篇看懂外泌体的结构、功能与应用

外泌体是一类由细胞主动分泌的、直径 30-200nm 的单层膜囊泡结构，广泛存在于各类生物体液中，携带蛋白质、脂质、核酸、糖复合物等多种生物活性分子，是细胞间通讯、物质运输的核心载体之一。从最初的发现到如今成为生命科学、医学研究的热点领域，外泌体在发育调控、免疫应答、组织稳态维持，以及癌症、神经退行性疾病等多种疾病的发生发展中都扮演着关键角色，同时在疾病诊断、靶向治疗领域展现出巨大的应用潜力。

一、外泌体的定义与研究发展历程

早在上世纪 60 年代，科研人员就首次发现了软骨细胞分泌的直径约 100nm 的细胞外囊泡，证实其可参与羟基磷灰石晶体的形成；同期也有研究发现，血小板释放的这类小囊泡具备关键的凝血功能，这是人类对外泌体相关结构的早期探索。后续研究也进一步证实，这类囊泡在骨与牙齿的矿化沉积、心血管病理性钙化过程中均发挥重要作用。

到了上世纪 80 年代，外泌体相关研究进入快速起步阶段。Trams 等人通过对囊泡胞外酶的系统研究，首次对细胞外囊泡进行了明确分类与定义：将直径约 40nm、富集蛋白质、核酸、脂质与糖复合物的囊泡命名为外泌体，将直径大于 500nm 的囊泡定义为微泡，同时明确了两类囊泡在细胞来源、组成成分、分离离心条件上的核心差异。

同期的研究还揭示了外泌体在精子成熟过程中的关键作用，更重要的是，科研人员通过网织红细胞转铁蛋白受体的相关研究，首次证实外泌体的生物发生是细胞质膜蛋白质的质量控制机制，明确了外泌体生成的核心过程。

经过数十年的研究积累，目前学界已经确立了外泌体生物学的四大核心原则，成为该领域研究的重要基础：

1，外泌体可通过质膜与内体膜的出芽过程生成

2，外泌体可将生物信号与大分子物质传递至靶细胞，发挥生物学效应

3，外泌体的生物发生是细胞内蛋白质质量控制的重要机制

4，外泌体的生物学功能与人体健康、疾病发生发展密切相关

二、外泌体的核心结构与组成

图1 外泌体结构与核心组成成分示意图

外泌体是具有完整单层膜结构的囊泡，密度约为 1.1-1.2g/ml，其大小、形状、密度并非固定值，会随自身携带的蛋白质、脂质、矿物质等成分的变化而改变，同时也与纯化方式直接相关。外泌体的组成具有显著的异质性，不同细胞来源、不同生理状态下分泌的外泌体，其内容物存在明显差异，核心组成可分为以下几大类：

1. 蛋白质成分

蛋白质是外泌体最核心的组成成分之一，涵盖了膜蛋白、脂质锚定蛋白、外周蛋白、可溶性蛋白、酶类等多个类别，也是外泌体发挥生物学功能的核心物质基础。

膜蛋白：外泌体中高度富集四跨膜蛋白家族，其中CD81、CD63、CD9是目前最常用的外泌体标志性蛋白，这类蛋白可调控其他膜蛋白的运输、稳定性与功能；同时外泌体还携带整合素、粘附分子等，在肿瘤转移、细胞粘附中发挥关键作用。

脂质锚定蛋白与外周蛋白：外泌体膜表面分布着多种脂质锚定蛋白、细胞因子、信号蛋白、细胞外基质（ECM）蛋白等，参与细胞信号传递、粘附等过程；内膜则富含支架蛋白、分子伴侣（如热休克蛋白 HSPs），参与蛋白分选、错误折叠蛋白的结合与转运。

酶类与可溶性蛋白：外泌体可携带多种代谢酶、RNA 编辑酶、蛋白酶等，使其成为具有代谢活性的膜性平台；同时内部包含多种可溶性蛋白，可在进入靶细胞后直接发挥生物学效应。

2. 脂质与糖缀合物

外泌体的膜结构由磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸、胆固醇、神经酰胺等多种脂质组成，其脂质组成与细胞膜、血浆中的脂质特征存在明显差异，是外泌体膜结构稳定的基础。同时外泌体最外层存在聚糖冠层，由糖蛋白、糖脂上的糖复合物组成，其特征会随细胞状态、疾病类型发生改变，在肿瘤发生发展中扮演重要角色。

3. 核酸成分

外泌体内部携带丰富的核酸物质，包括 miRNA、mRNA 等多种 RNA，以及单链 DNA、双链 DNA、基因组 DNA、线粒体 DNA 等。这些核酸可通过外泌体转运至靶细胞，调控靶细胞的基因表达，是外泌体实现细胞间通讯的核心物质之一，也成为疾病诊断的重要标志物

三、外泌体的生物发生与分离纯化

图2 外泌体的三种主要生成释放方式示意图

外泌体的生成与释放是一个多步骤的生物学过程，其核心是膜结构的出芽与分泌，主要有三种方式：①通过内体出芽形成多囊泡体，再与细胞质膜融合释放外泌体；②直接通过细胞质膜出芽，直接分泌释放外泌体；③通过细胞内质膜连接隔室的连接处收缩，实现外泌体的延迟释放。

与其他细胞器的蛋白分选机制不同，外泌体的蛋白分选主要通过细胞质中的质膜锚定、蛋白寡聚化介导，蛋白的寡聚化可诱导质膜蛋白出芽，进而完成外泌体的生成与内容物分选。同时，外泌体的异质性正是其生物发生机制的必然结果，细胞类型、基因表达水平、生理环境、随机的分子波动等多种因素，都会导致外泌体的大小、内容物出现显著差异。

在科研与应用中，外泌体的分离纯化是研究的基础，目前最经典的方式为差速离心法：微泡可通过 10000×g 离心 30 分钟分离获得，而外泌体则需要先通过 10000×g 离心去除微泡等杂质，再对上清液进行 70000-100000×g 离心 90-120 分钟，即可获得外泌体粗提物。若需要更高纯度的外泌体，还可通过密度梯度离心、免疫亲和纯化等方式进一步纯化，去除脂蛋白、蛋白聚集体等杂质。

四、外泌体的核心生物学功能与应用前景

作为细胞间物质运输与信号传递的核心载体，外泌体的生物学功能覆盖了生命活动的多个维度，核心功能主要包括：

1，细胞内蛋白质质量控制：外泌体的生物发生本身就是细胞蛋白质质量控制的重要机制，可将细胞内错误折叠、过量的蛋白质转运至细胞外，维持细胞内环境的稳态。

2，细胞间通讯与物质传递：外泌体可将携带的蛋白质、核酸、脂质等物质传递至靶细胞，调控靶细胞的生理状态，实现细胞间的长距离、精准的信号通讯，在胚胎发育、组织修复、免疫应答等过程中发挥核心作用。

3，疾病发生发展的调控：外泌体在癌症、心血管疾病、神经退行性疾病、感染性疾病等多种疾病的发生发展中扮演关键角色，比如肿瘤细胞来源的外泌体可调控肿瘤微环境、介导肿瘤转移与免疫逃逸；病毒还可借助外泌体完成病毒颗粒组装、实现免疫逃逸。

4，细胞外基质重塑：外泌体可携带多种细胞外基质相关蛋白与酶类，参与细胞外基质的合成与降解，在组织钙化、纤维化、肿瘤侵袭等过程中发挥重要作用。

基于上述核心特性，外泌体如今已成为生命科学与转化医学的研究热点，应用前景十分广阔：在疾病诊断领域，外泌体携带的核酸、蛋白等标志物，可作为癌症、感染性疾病等多种疾病的无创诊断标志物；在治疗领域，外泌体具有低免疫原性、高生物相容性、天然的跨屏障能力，可作为药物、基因治疗的递送载体，目前已有多项基于外泌体的治疗方案进入临床研究阶段；同时，外泌体也是生命科学基础研究的重要对象，为揭示细胞间通讯、疾病发生机制提供了全新的视角。

FAQ 常见问答

1. 外泌体和微泡的核心区别是什么？

答：外泌体与微泡是两类不同的细胞外囊泡，核心区别主要体现在三个方面：一是粒径差异，外泌体直径多在 30-200nm，常规研究中核心粒径约 40nm，而微泡直径大于 500nm；二是组成差异，外泌体的成分具有显著的分选富集特征，而微泡的物质组成与母细胞的细胞成分更为相似；三是分离条件差异，微泡可通过 10000×g 离心 30 分钟分离，外泌体则需要 70000-100000×g 离心 90-120 分钟才能分离获得。

2. 常用的外泌体标志性蛋白有哪些？

答：目前科研中最常用的外泌体标志性蛋白为四跨膜蛋白家族的 CD81、CD63、CD9，其中 CD81 在外泌体中富集程度最高，也是应用最广泛的标志物。除此之外，外泌体中富集的热休克蛋白、整合素等，也可作为辅助鉴定的标志物。

3. 外泌体的异质性是什么原因导致的？

答：外泌体的异质性是其生物发生机制的必然结果，主要影响因素包括：母细胞的类型与基因表达差异、细胞所处的生理环境与外界刺激（如感染、激素水平、昼夜节律等）、外泌体生成过程中内容物分选的随机性、新生外泌体附近的货物浓度差异、大分子货物的空间排斥效应等。

4. 外泌体最经典的分离纯化方法是什么？

答：差速离心法是外泌体分离最经典、最常用的方法，核心步骤为：先通过低速离心去除细胞与细胞碎片，再通过 10000×g 离心 30 分钟去除微泡等大粒径杂质，收集上清液后，通过 70000-100000×g 高速离心 90-120 分钟，即可获得外泌体粗提物。若需更高纯度的外泌体，可结合密度梯度离心、免疫亲和纯化等方式进一步处理。

5. 外泌体目前的主要应用方向有哪些？

答：外泌体的应用主要集中在三大方向：一是基础生命科学研究，作为研究细胞间通讯、疾病发生机制的核心对象；二是疾病诊断，以外泌体携带的蛋白、核酸等作为生物标志物，开发无创、高灵敏度的疾病诊断方案；三是疾病治疗，利用外泌体的天然载体特性，开发药物递送系统、细胞治疗相关方案，目前已有多项外泌体相关治疗产品进入临床研究阶段。