鼻腔给药外泌体，点亮中枢神经疾病治疗之路河南银丰细胞组织人类遗传资源库

鼻腔给药外泌体，点亮中枢神经疾病治疗之路

发布时间：2025-04-18 17:35:50 作者：浏览：10次

引言

《柳叶刀-神经病学》发表的 GBD2021 神经系统疾病负担分析结果显示，2021 年全球有 34 亿人患有神经系统疾病，占全球人口的43.1%，产生4.43亿伤残调整生命年（DALY），已超过心血管疾病成为全球疾病负担的首要原因^[1]。神经系统疾病在治疗过程中，由于血脑屏障的存在，许多药物难以有效进入大脑发挥治疗作用。近年来，外泌体作为一种新型的药物递送载体，尤其是通过鼻腔给药的方式，为中枢神经系统疾病的治疗带来了新的希望。本文将详细探讨外泌体如何突破血脑屏障，鼻腔给药的优势，以及其在治疗各类脑部疾病中研究情况。

1外泌体破解血脑屏障

1.1 什么是血脑屏障

血脑屏障（blood brain barrier，BBB）是存在于血液和脑组织之间的一种特殊生理结构，由脑微血管内皮细胞、基底膜、周细胞和星形胶质细胞等组成。其主要功能是保护大脑免受病原体、毒素和有害物质的侵入，维持大脑内环境的稳定。BBB具有高度的选择性，它能够严格限制大多数物质的自由通过，只有少数小分子物质和脂溶性物质可以通过被动扩散进入大脑。这种严格的筛选机制虽然对大脑起到了保护作用，但也成为了治疗中枢神经系统疾病药物研发的一大障碍，超过98%的小分子药物和所有大分子药物受到BBB的阻碍无法到达大脑，使中枢神经系统疾病的治疗复杂化。

图1 a物质通过BBB的7种机制；b BBB的细胞组成结构（引用自文献2）

1.2 外泌体为什么能穿过BBB

外泌体是一种由细胞分泌的纳米级膜泡，直径通常在30-150nm之间。外泌体能够穿过BBB主要基于以下几个原因：首先，外泌体的纳米级尺寸使其可以通过BBB上的一些微小通道，如跨细胞途径或细胞旁途径（图1a中的①、②、③）。其次，外泌体表面含有多种膜蛋白，这些蛋白可以与BBB上的受体相互作用，从而介导外泌体的跨膜转运（图1a中的②）。例如，外泌体表面的整合素αvβ5可以与血脑屏障内皮细胞表面的受体相结合，促进外泌体的内吞作用，进而实现外泌体穿过血脑屏障进入脑组织。此外，外泌体的脂质双分子层结构与细胞膜相似，具有良好的生物相容性，这也有助于其穿越血脑屏障（图1a中的④）。

2鼻腔给药外泌体

2.1 鼻腔给与外泌体的药物吸收途径

鼻腔给药是一种非侵入性的给药方式，其药物吸收途径独特。鼻腔内具有丰富的毛细血管和淋巴管，药物可以通过鼻腔黏膜直接进入血液循环或通过嗅神经、三叉神经等神经通路直接进入中枢神经系统。当外泌体通过鼻腔(鼻喷、鼻滴等)给药时，其主要通过嗅黏膜上皮细胞的吸收进入嗅神经，然后沿着嗅神经轴突运输到大脑嗅球，进而扩散到整个大脑，达到治疗疾病的目的（见图2）。相比于创伤性的给药方式（如鞘内给药、颅内移植等），鼻腔给予外泌体有诸多优势。

2.2 鼻腔给药的优势

靶向性

多项研究表明，鼻腔给药外泌体对缺血损伤部位具有明显的靶向性。大脑海马区 CA1区域在缺氧缺血性脑损伤后通常会出现大量的凋亡细胞和神经退行性变。一项研究表明^[3]，经鼻腔给予缺氧缺血性脑损伤（HIBI）大鼠外泌体后，与 PBS组相比，外泌体组的凋亡细胞和退行性神经细胞数量显著减少。这说明外泌体能够特异性地作用于损伤的神经元，改善其生存状态（见图3）。该研究中，针对小胶质细胞炎症的体内研究表明，PBS 组小胶质细胞出现增殖和形态转变为阿米巴样的激活现象，而外泌体组则有效抑制了这种激活，并且标记的外泌体与小胶质细胞共定位，表明外泌体能够作用于炎症相关细胞（见图4）。研究中的体外实验，也证实了这一点。这些结果说明外泌体可以靶向脑内炎症细胞，调节其功能，减轻炎症反应，而炎症反应通常在病灶部位周围较为活跃。

图3TUNEL染色（A图）在第3天对海马CA1区的细胞凋亡情况进行评估，可明显看出外泌体组的凋亡细胞相较于PBS组显著减少；通过Fluoro-JadeC染色（B图）在第7天对神经退行性变进行观察，外泌体组的退行性神经细胞数量也明显少于PBS组(引用自文献3)

图4 Nissl 染色分别在第 14 天（A 图）和第 28 天（B 图）对海马区神经细胞进行评估，结果显示 PBS 组细胞出现核聚集和结构改变等情况，而外泌体组细胞形态在这些时间点保持相对正常（引用自文献3）

无创无痛

与传统的注射给药方式相比，鼻腔给药具有无创无痛的优点，患者的依从性更高。对于一些需要长期治疗的中枢神经系统疾病患者来说，鼻腔给药可以减少因反复注射或桥内给药等带来的痛苦和不便，提高患者的生活质量。对患者创伤小的给药方式在临床研究和实际用药过程中对研究结果的可靠性和患者治疗的有效性都有不可忽视的影响。近两年，clinical trials.gov和中国临床试验注册中心备案了多个经鼻给药治疗神经系统疾病或其他疾病的临床研究（见表1），越来越多研究者们开始探索经鼻给与外泌体的临床应用。

表1 外泌体经鼻给药的临床研究

序号	研究名称	备案号	备案时间
1	外泌体鼻喷改善血清炎症因子高表达孤独症患儿治疗效果的临床研究	ChiCTR2400093652	2024-12-10
2	诱导多能干细胞外泌体滴鼻液（GD-iExo-002）治疗儿童癫痫性脑病的探索性临床研究	ChiCTR2400091107	2024-10-21
3	干细胞外泌体治疗过敏性鼻炎的临床研究（喷鼻治疗）	ChiCTR2400079863	2024-01-15
5	Exploring Nasal Drop Therapy With Small Extracellular Vesicles for ALS (de-ALS)	NCT06598202	2024-09-10
4	Induced Pluripotent Stem Cell Derived Exosomes Nasal Drops for the Treatment of Refractory Focal Epilepsy	NCT05886205	2023-05-08
	The Pilot Experimental Study of the Neuroprotective Effects of Exosomes in Extremely Low Birth Weight Infants（鼻滴治疗）	NCT05490173	2022-07-04
6	the Safety and the Efficacy Evaluation of Allogenic Adipose MSC-Exos in Patients With Alzheimer's Disease	NCT04388982	2020-04-28

极低的免疫风险

相比于细胞，外泌体在疾病治疗中展现出低免疫原性的显著优势，这主要源于多方面的因素。首先，其来源细胞多为干细胞，干细胞自身就具备低免疫原性，这种特性会延续到外泌体上。在众多实验和临床应用中，各类干细胞来源的外泌体被引入机体后，很少引发明显的免疫排斥现象。其次，外泌体的表面分子组成较为特殊，如缺乏主要组织相容性复合体（MHC）Ⅱ类分子等关键的免疫激活标记。这使得抗原呈递细胞难以有效识别和处理外泌体，进而降低了免疫反应发生的可能性。相关的细胞与分子层面的研究都清晰地揭示了这一特性。再者，外泌体在生物进化进程中高度保守。其稳定的结构和功能使机体免疫系统逐渐形成耐受性，即便在跨物种应用时，也能维持较低的免疫原性。这种低免疫原性使得外泌体在疾病治疗领域具有广阔的应用前景，为多种疾病的治疗带来了新的希望和可能。

剂量减少

由于鼻腔给药能够使外泌体直接进入中枢神经系统，避免了肝脏的首过效应和全身循环中的药物稀释，因此可以在较低的剂量下达到有效的治疗浓度。如图2所示，外泌体通过鼻腔主要经嗅球和嗅神经以及三叉神经直接进入大脑，少部分则通过鼻腔向下延伸，通过体循环，再将极少部分输送到中枢神经系统。相关研究表明，经鼻、静脉和气管三种方式给与外泌体，经鼻给药后外泌体主要分布在脑部，详细情况见表

表2 外泌体经不同方式给药后在各组织的分布情况

给药方式	体内分布主要区域	离体器官检测主要分布
静脉注射（IV）	小鼠腹部区域，主要在肝脏、脾脏，其次是肺部，肾脏、心脏、大脑组织信号少	肝脏、脾脏、肺部有较高荧光信号，肾脏、心脏、大脑组织几乎无信号；肝脏和肠道在组织匀浆荧光分析中信号较高
气管内注射（IT）	胸部区域，24 小时后肺部信号最强	肺部信号最强，其他器官无显著信号；肺组织在组织匀浆荧光分析中信号较高
鼻内注射（IN）	脑区域，3 小时和 24 小时均主要位于脑部	脑部有特定信号，其次是肺部、肾脏和肠道有低可检测信号；脑组织在组织匀浆荧光分析中信号较低但具有特异性

3外泌体治疗各类脑部疾病的研究情况

不同细胞来源的外泌体因所含生物活性分子的差异，对疾病治疗产生不同影响。诸多研究表明，神经干细胞来源的外泌体对神经系统疾病的治疗呈现出诸多的潜力，其中有文献汇总了神经干细胞来源的外泌体（NSC-Exos）对不同神经系统疾病治疗发挥的作用^[5]，详见下文。

中风：NSC-Exos在中风治疗研究中成果显著。在血栓栓塞小鼠模型和猪大脑中动脉闭塞（MCAO）模型中，NSC-Exos均展现出良好效果，其能减少脑梗死面积、促进神经再生与突触可塑性，效果优于间充质干细胞来源外泌体。在小鼠MCAO模型中，静脉注射NSC-Exos呈现剂量依赖的治疗作用，且能调节免疫反应，如缺血后可逆转外周免疫抑制、增加淋巴细胞水平，同时维持中枢免疫稳定。体外实验表明，NSC-Exos可稳定血脑屏障、减少炎症细胞募集，还能通过多种途径减少神经元凋亡、促进增殖，如 miR-150-3p/CASP2 途径。此外，NSC-Exos与神经胶质细胞相互作用，影响小胶质细胞炎症反应，保护星形胶质细胞，并且可促进NSCs 自身分化，装载BDNF的NSC-Exos效果更佳。

阿尔茨海默病：阿尔茨海默病（AD）发病机制复杂且无有效治疗方法，NSC-Exos能增强血脑屏障稳定性，在AD小鼠模型中可修复受损血脑屏障，减少炎症浸润。脑室内注射NSC-EVs可改善线粒体功能、激活SIRT1、增强突触活性与完整性、减轻炎症并改善认知，不过对Aβ斑块数量无影响。特殊的非痴呆但有病理改变的AD患者研究显示，内源性NSC外泌体可调节突触与Aβo结合，脑室内注射NSC-Exos能保护突触、预防记忆缺陷。

帕金森病：帕金森病（PD）的治疗一直是难题。在6-OHDA诱导的体外和体内模型中，F3细胞（源自胎儿端脑的神经干细胞系）的EVs（细胞外囊泡，包含外泌体）可降低神经元氧化应激和小胶质细胞炎症因子释放。在PD模型小鼠脑内注射 F3-EVs，能显著减轻神经炎症，减少相关细胞和因子的不良影响，同时增加多巴胺神经元活性。对F3-EVs的分析发现，其含有的has-mir-182-5p、has-mir-183-5p、has-mir-9和has-let-7等miRNA 可能是治疗的关键活性成分。

脊髓损伤：脊髓损伤（SCI）后神经功能恢复困难，NSC-Exos 在SCI 治疗方面的研究表明，NSC-Exos预处理可通过促进自噬发挥抗炎和抗凋亡作用，在体内外减少脊髓神经元凋亡、小胶质细胞活化和炎症因子表达。鞘内注射NSC-EVs可激活自噬，相关标记物表达增加，对SCI 后的组织损伤起到保护作用。其中，14-3-3 在氧化应激下诱导自噬，NSC-EVs中的14-3-3t 可增强自噬诱导，过表达14-3-3t 的 NSC-EVs 保护作用更强。在大鼠SCI模型中，NSC-EVs 能抑制炎性小体复合物形成，促进神经元存活和运动功能恢复，还可通过增强血管生成相关蛋白VEGF-A 促进血管生成，进而推动脊髓功能恢复。

结语

鼻腔给药外泌体作为一种新型的治疗手段，为中枢神经系统疾病的治疗带来了新的希望。外泌体能够有效穿过血脑屏障，鼻腔给药的诸多优势，让外泌体在脑卒中、阿尔兹海默病、ALS 等多种脑部疾病的治疗中展现出了良好的效果。外泌体临床转化和应用研究的不断推进，将为中枢神经系统疾病患者带来更多的福祉。

参考文献

[1] GBD 2021 Stroke Risk Factor Collaborators. Global, regional, and national burden of stroke and its risk factors, 1990-2021: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2021. Lancet Neurol. 2024 Oct;23(10):973-1003. doi: 10.1016/S1474-4422(24)00369-7. PMID: 39304265.

[2] Wu D, Chen Q, Chen X, Han F, Chen Z, Wang Y. The blood-brain barrier: structure, regulation, and drug delivery. Signal Transduct Target Ther. 2023 May 25;8(1):217. doi: 10.1038/s41392-023-01481-w. PMID: 37231000; PMCID: PMC10212980.

[3] Wang Y, Niu H, Li L, Han J, Liu Z, Chu M, Sha X, Zhao J. Anti-CHAC1 exosomes for nose-to-brain delivery of miR-760-3p in cerebral ischemia/reperfusion injury mice inhibiting neuron ferroptosis. J Nanobiotechnology. 2023 Mar 27;21(1):109. doi: 10.1186/s12951-023-01862-x. PMID: 36967397; PMCID: PMC10041751.

[4] Tolomeo AM, Zuccolotto G, Malvicini R, De Lazzari G, Penna A, Franco C, Caicci F, Magarotto F, Quarta S, Pozzobon M, Rosato A, Muraca M, Collino F. Biodistribution of Intratracheal, Intranasal, and Intravenous Injections of Human Mesenchymal Stromal Cell-Derived Extracellular Vesicles in a Mouse Model for Drug Delivery Studies. Pharmaceutics. 2023 Feb 7;15(2):548. doi: 10.3390/pharmaceutics15020548. PMID: 36839873; PMCID: PMC9964290.

[5] Li Y, Fang B. Neural stem cell-derived extracellular vesicles: The light of central nervous system diseases. Biomed Pharmacother. 2023 Sep;165:115092. doi: 10.1016/j.biopha.2023.115092. Epub 2023 Jul 4. PMID: 37406512.

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