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细胞外囊泡和微生物组的互作：疾病治疗新策略

iMeta主页：http://www.imeta.science

综  述

● 原文链接DOI: https://doi.org/10.1002/imt2.86

● 2023年2月6日，华中科技大学杨操团队在 iMeta 在线发表了题为“Interactions between extracellular vesicles and microbiome in human diseases: New therapeutic opportunities ”的文章。

● 本文综述了细菌来源的细胞外囊泡（BEVs）的生物发生、结构组成、生物学功能及其参与疾病发生的最新进展。此外，还简要概述了当前BEVs在诊断分析、疫苗开发和新疗法研发方面的临床应用。

● 第一作者：罗荣锦、常燕敏、梁怀真

● 通讯作者：杨操 (caoyangunion@hust.edu.cn)、李高才（gaocaili@hust.edu.cn）

● 合作作者：张伟锋、宋雨

● 主要单位：华中科技大学同济医学院附属协和医院、西安交通大学附属红会医院

亮   点

● BEVs携带蛋白质、核酸、脂质和代谢物等多种生物活性物质，是微生物-宿主通讯的关键媒介

● BEVs广泛参与机体诸多病理生理过程，并发挥关键调控作用

● 致病菌来源BEVs与多种人类疾病的发生发展密切相关

● 基于BEVs的临床平台具有广阔的应用前景，包括诊断分析、疫苗研制和新疗法开发等

摘  要

近几十年来，越来越多关于对微生物稳态与宿主健康相互作用的研究，极大拓展了疾病病理发生机制和治疗策略研究的最前沿。细胞外囊泡（EVs），活细胞分泌的天然纳米颗粒，运输蛋白质、核酸、脂质和代谢物等多种生物活性分子，是微生物-宿主通信的关键介质。除了在诸多病理生理过程中执行关键调控作用，有相当多的研究证据表明细菌来源的EVs (BEVs)参与了各种人类疾病的发生发展，包括胃肠道、呼吸道、皮肤、神经精神和肌肉骨骼性疾病，以及癌症等。此外，还有许多的研究探索了基于BEVs平台研发的新的生物医学诊断和治疗策略。因此，在本篇综述中，我们着重强调了在BEVs的生物发生、结构组成、生物学功能及其参与疾病发生的最新进展。此外，我们还简要概述了当前BEVs在诊断分析、疫苗开发和新疗法研发方面的临床应用。

视频解读

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全文解读

引  言

众所周知，人体是一个共生生态系统，包含真核生物、细菌和古细菌等多种共生微生物，统称为微生物群。数据显示，有超过100万亿个微生物细胞几乎定植于人体的各个部位，尤其是皮肤、口腔、呼吸道、胃肠道和泌尿生殖道，比人类细胞多10倍。宏基因组测序数据表明，人类微生物组包含大约800万个独特的蛋白质编码基因，比人类基因总数（20,000-25,000个）高出360倍。微生物群落的组成和数量在进化维持着稳态平衡，并在人类健康中发挥特定的遗传和代谢功能。然而，在特定情况下，由内外因素引起的微生物群失调可能导致各种疾病的发生，包括炎症性肠病、自身免疫性疾病、代谢性疾病、神经精神性疾病和癌症。此外，随着我们对微生物-宿主相互作用及其调控网络的了解快速增加，我们越清晰地明白，微生物群对于宿主疾病状态分析和新兴疗法研发都极为重要。

细胞外囊泡（EVs）是一种纳米大小的、具有异质性的膜包裹结构，可由几乎所有类型的细胞分泌产生。它们携带来自母体细胞的多种生物活性分子物质，包括脂质、蛋白质、核酸和小分子，并作为细胞间通信的关键中介。越来越多的研究证据表明，EVs介导了微生物和宿主细胞之间的复杂、双向关系，在微生物群-机体通讯过程中发挥了重要作用，进而参与调节各种病理生理过程，如炎症、血管生成、营养代谢以及适应性和先天免疫反应等。由此，基于我们对EVs在调节微生物-宿主过程中的关键作用的进一步理解，设计了多种疾病诊断和治疗策略并进行了临床应用。

近年来，EVs介导的微生物群与宿主之间的相互作用引起了广泛的关注和深入的探索。真核来源EVs的生物学特性已经得到了充分的描述。本文主要综述了微生物来源EVs，特别是细菌来源EVs（BEVs）的研究现状，重点关注其生物来源、生物产生、结构组成，以及它们在疾病发生中的潜在作用。最后，我们讨论了基于BEVs的临床应用进展，包括诊断分析、疫苗和新兴疗法研发（图1）。

图1. BEVs结构组成、生物学功能以及与疾病发生关联的示意图

正  文

BEVs来源、分类及生物发生

如今，EVs的产生过程已经在几乎所有的细胞类型中都被明确地观察到，包括真核细胞和原核细胞。早在1967年，研究人员在霍乱弧菌（革兰氏阴性菌）中用电子显微镜观察到，有球形膜结构以挤压释放形式从细胞壁上脱落，它被推测为霍乱毒素排泄有关。随后，在20世纪80年代早期，人们发现成熟的绵羊网织红细胞分泌EVs，并作为铁转移的一种机制。2007年，人们鉴定出EVs中存在丰富的功能RNA，表明EVs通过RNA传递在细胞间的通信中发挥了关键作用。在过去的二十年里，一些研究人员已经阐明了EVs的部分生物发生、结构组成、生物功能和临床应用的特点，特别是来自真核生物的EVs。研究人员已经达成共识，即EVs的产生是一个高度调控的主动过程，可将各种生物活性分子运输到微环境附近或远端组织中的受体细胞，进而启动一系列必要的细胞信号转导事件。

如上所述，EVs是所有在来源、大小和组成上不同的细胞来源的膜囊泡的通用名称。到目前为止，已经引入了不同的分类方法来定义和区分EVs的每个亚类，但目前仍缺乏一种准确和标准的分类方法。目前，真核EVs根据其生物发生、大小和分泌方式一般分为三个主要亚群：外泌体（30-150 nm）、微泡或微囊泡（100-1000nm）和凋亡小体（1000-10000nm）。在EVs的亚型中，外泌体是研究最深入的纳米囊泡类型，它们是由内体膜向内内陷形成的，导致在多泡体（MVBs）内形成腔内囊泡（ILVs）。MVBs既可以通过与溶酶体融合定向降解，也可以与质膜融合定向释放其腔内囊泡。与外泌体相比，微囊泡是从质膜中出芽直接释放出来的较大的纳米囊泡。凋亡小体是凋亡细胞释放的大EVs，最终被吞噬消除。真核生物EVs的生成和分泌是一个复杂而精细的过程，在文献中已经得到了充分概述。此外，EVs在本质上是高度异质性的，其生物物理和生化特性经常在各个亚型之间相互重叠。因此，在探索EVs的功能特性之前，非常有必要了解清楚其亚类型和独特特性。

微生物群对人类健康的重要性在过去的几十年中已经被充分证实，微生物群来源的囊泡（MEVs）是一个新兴的研究方向。人体中含有多种微生物，包括酵母菌、古生菌、寄生虫、病毒和原生动物等，其中的细菌类群是目前研究最深入的。BEVs是由细菌自然产生的纳米囊泡，是细菌正常生长过程中的部分产物，范围从大约20纳米到300纳米不等。具体来说，由革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌释放的BEVs被称为外膜囊泡（OMVs）和膜囊泡（MVs）（图2A，B）。革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的BEV生物发生机制截然不同，基于其形态、结构和组成的差异。OMVs最初被发现起源于外膜的控制性起泡，其中包含周质内容物，包括外膜蛋白、脂蛋白和脂质等。此外，最近的研究揭示了另一种类型的OMV，称为外内膜囊泡（OIMVs），它是由外膜和质膜共同突出分裂或爆炸性细胞裂解形成的，并捕获周质和细胞质成分，包括DNA和ATP等。与革兰氏阴性菌相比，革兰氏阳性菌缺乏外膜，但具有极厚的肽聚糖（PG）细胞壁，这被认为是阻止了囊泡分泌。但新兴的研究已经证实了来自大量革兰氏阳性细菌的MVs的存在，它们被认为起源于膜结构的起泡，并封装了多种膜和细胞质成分。此外，一些膜性结构，即从革兰氏阳性细菌或革兰氏阴性菌的外膜突出的纳米管、纳米线或纳米足，也被认为是BEVs的特殊类型。尽管BEVs的产生模式不同，但BEVs的分泌在微生物群中进化保守，这表明BEVs在微生物群的物理生长和生存中起着关键作用。

图2. BEVs释放过程

真核生物中EVs的产生主要是由运输途径蛋白及其同源物所需的内吞体分选复合物介导的，这已经在许多优秀的研究中得到了充分的证实。然而，BEVs在细菌中生物发生的机制仍不清楚。迄今为止，基于遗传学和生物医学研究，已经提出了一系列革兰氏阴性菌OMVs形成的模型（图3A）。第一个模型是外膜和PG层之间的相互连接减少，PG相关的脂蛋白，如Lpp和Tol-Pal系统，是一类主要的表面蛋白，共价固定在外膜上，保持膜的完整性和通透性。Lpp和Tol-Pal突变或它们的缺失先前已被发现与周质蛋白的释放增加和OMVs的形成有关。第二个模型，局部膨压超载和多种分子的累积失衡，如PG片段、脂多糖（LPS）和错误折叠的蛋白质，进入细菌周质导致质周空间压力过载，外膜变形突出，促进囊泡释放。第三个模型，膜的物理化学性质的变化和磷脂在外膜内外叶之间的不对称分布，引发膜曲率增加，不对称膨胀，随后OMVs起泡释放。第四种模型，LPS的重构，OMV产生两种不同类型的LPS：A型LPS（中性电荷）和B型LPS（阴离子电荷）。只有B型LPS被包装到OMVs中，只产生B型LPS的突变体被检测到OMVs产生增加。此外，在牙龈卟啉单胞菌中，LPS的构象改变增加了其膜曲率，从而增加了OMV的产生。此外，爆炸性细胞裂解也被认为是一种主动的OMVs产生形式，由隐型原噬菌体内溶素介导，这是细胞质释放所需的关键酶；内溶素缺乏的突变体在OMVs生产中存在缺陷。与革兰氏阴性菌相比，革兰氏阳性菌具有较厚的PG细胞壁，这表明存在一种明显不同的MVs产生机制。一种假说是，磷脂在膜外小叶的积累导致细胞质膜的快速扩张和向外膨胀；低渗环境引起的膨压可能进一步促进MVs的形成。MVs的质谱蛋白质组学分析显示，MVs内部存在多种PG降解酶，如转肽酶和自溶酶，这表明细胞壁的修饰或松解使MVs的转运成为可能（图3B）。此外，PG细胞壁中的蛋白通道或结构通道被认为是MVs释放的另一种机制。由此，对革兰氏阳性菌MV生物发生的研究仍处于起步阶段，影响膜流动性和细胞壁完整性的多种内外因素可能是MV产生的关键决定因素。

BEVs的产生是一个精细协调的复杂过程，涉及多种调控因素。遗传调控已在细菌囊泡产生的各种研究中被广泛介绍，其中由近150个基因组成的遗传网络参与了囊泡产生的调控；特定基因功能突变的缺失可能导致BEVs生产的数量和内含物含量发生显著变化。此外，环境应激因素，包括暴露于抗生素或不利的细菌生长条件，如异常的温度或pH，也已被报道参与调节BEVs的产生。细菌营养条件和生长时期也被证明可影响BEVs的分泌和内容物装填。因此，这些观察结果使我们推测，微生物群可以动态地调整BEV的产生，并根据其自身的环境选择性地分选BEVs内容物。

图3. BEVs生物发生机制示意图

BEVs内容物组成

一般来说，BEVs根据其亲本细胞类型，包含蛋白质、脂质和核酸等多种生物活性成分， BEVs的内容物的数量和种类受到其生产细菌和环境因素的影响，这在很大程度上决定了它们在一定条件下不同的生物功能。因此，研究人员引入了各种方法和技术，如二代测序（NGS）、电子显微镜、质谱和蛋白质组学分析，解读BEVs的结构和组成，并随后研究它们在各种病理生理过程中的作用。然而，彻底解释BEVs的组成和内容物在BEVs中选择性富集的具体机制仍然是一个巨大的挑战。在本节中，我们将简要概括BEVs内容物构成和相关产生机制。

蛋白质：蛋白内容物几乎已在所有细菌来源BEVs中得到验证，主要由外膜蛋白、周质蛋白和细胞质蛋白组成。随着蛋白质组学技术的快速发展，已鉴定出超过3000种个BEVs相关蛋白，这些蛋白在功能上可分为结构蛋白、通道蛋白、离子通道、转运蛋白、酶和与应激反应相关蛋白等。宏蛋白质组学突出了BEVs独特的蛋白质谱，赋予它们具有独特的功能特性，如信号转导、致病性、生物膜形成、代谢调控、抗生素耐药性和细菌生存等。细菌在不同环境条件下生长时，蛋白质组成和BEVs产量效率的动态变化，表明与母体菌相比，BEVs中的内容物可能被选择性地富集，尽管很少有研究确定具体的分选机制。例如，鸟分枝杆菌在模拟吞噬小体环境的金属混合培养基中培养时所释放的BEVs的蛋白质组成与在最小培养基中产生的BEVs的蛋白质组成截然不同。

脂质：脂质是BEVs生物膜的主要结构成分，主要来源于细胞质膜和细胞质内膜。来自大肠杆菌的实验证据一致显示，外膜和BEVs之间存在保守的脂质组成，包括LPS、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰甘油和心磷脂，它们与膜曲率密切相关。重要的是，一些特定的脂质种类也被发现选择性地富集在BEVs中，脂质分析数据显示，磷脂酰甘油和硬脂酸的含量，参与膜流动性和刚性，在BEVs中的含量明显高于细胞外膜。另一项对单核增生李斯特菌的研究表明，磷脂酰乙醇胺和鞘脂等不饱和脂肪酸在BEVs中更为丰富，而糖甘油脂的表达相对较低，说明BEVs的脂质组成在细菌种类中并不均匀。此外，牙龈卟啉单胞菌BEVs在LPS组成方面也具有独特的特性。因此，BEVs的脂质组成可能会因细菌种类和适应其生物学功能的环境条件而变化。

核酸：研究证实，BEVs可以携带细菌遗传物质，包括DNA和不同类型的RNA。BEVs允许将DNA传递到其他细菌细胞中。在来自大肠杆菌、淋病奈瑟菌、牙龈卟啉单胞菌、鲍曼不动杆菌和铜绿假单胞菌等细菌的BEVs的管腔或表面均检测到染色体和质粒DNA。尽管对其生物学功能的了解有限，但有证据表明，BEVs相关DNA可能在生物膜形成、免疫调节、细菌粘附和毒力方面中发挥作用。先前的研究表明，BEVs含有丰富的RNA，包括mRNA、tRNA、rRNA和sRNA，其中这些BEVs RNA和非编码RNA大部分来自未知的基因间区域，可能负责调控靶细胞的基因表达。最近的证据表明，BEVs中的mRNA可能被翻译成靶细胞中产生微生物蛋白，BEVs中的sRNAs可能与特定的靶细胞因子相互作用，通过调控转录、mRNA加工和翻译来减弱或增强基因表达。大量的BEVs相关RNA已经通过RNA谱分析得到验证，但其功能仍不清楚。部分研究报道，BEV RNA进入宿主细胞可能参与了炎症、免疫反应、感染和化疗耐药性的调节。总的来说，BEVs中含有丰富的编码和调控性核酸，但其确切组成和功能有待进一步研究。

如上所述，BEVs的内容物组成是高度异质性的，在很大程度上取决于其起源、释放位置和生理或病理状态。虽然已经进行了大量的研究来阐明BEVs中蛋白质、脂质和核酸选择性富集的潜在机制，但确切的分选机制仍不清楚。其中，一种被提出的选择性货物运输进入BEVs的机制涉及到外膜脂质伴侣。中性（A型LPS）和负带电荷（B型LPS）O抗原残基都存在于外膜上；只有B型LPS被发现与BEVs相关。在释放的B型LPS突变株牙龈卟啉单胞菌，毒力因子如牙龈菌蛋白酶明显减少，表明外膜A型LPS组成脂质伴侣高可能在选择性货物装填方面发挥关键作用，由于他们的整体电荷亲和力。一致的是，通过对a组链球菌的BEVs货物进行的综合分析表明，细菌膜的脂质组成负责特定蛋白和RNA种类的选择性富集。此外，最近的一项研究金黄色葡萄球菌特征BEVs的蛋白质组成，结果显示，与全细胞蛋白质组相比，BEVs主要蛋白质货物带正电荷，有更多的小残基和更少的芳香和脂肪基团，这进一步暗示物理化学性质（和电荷）在内容物分选方面的作用。此外，与所列举的被动分选机制相比，研究人员推测还存在其他主动分选机制，BEVs出芽过程中形成的膜凹凸拓扑结构可能选择性地富集特定的互补分子，并引导它们进入BEVs腔内。

BEVs生物学功能

自BEVs被发现以来，该领域的研究主要集中在其在诸多生理和病理生理过程中的潜在作用。BEVs脱离亲本细胞后，易位并与受体细胞表面相互作用，随后将货物转移到受体细胞中，从而触发下游信号转导通路。迄今为止，BEVs在一系列的生物事件中发挥着重要作用，包括生物膜的形成、抗生素耐药性、毒力因子的传递、免疫调节和炎症等。在本节中，我们主要关注BEVs在细菌-宿主相互作用领域的最新进展。

应急防御反应：BEVs的分泌是一种保守的应激反应策略，与多种不利的环境条件有关，如热休克反应、营养缺乏、pH变化、极端温度和抗生素的存在。一般来说，关于BEVs分泌对应激源的抵御作用的多种直接和间接的机制已经被介绍，包括促进生物膜的形成，排出错误折叠的聚集物，以及诱导膜靶向攻击等。

生物膜是一种重要的而复杂的结构，使细菌能够在受保护的微环境中存活，并深入参与细菌的生长、耐药性和生存。根据细菌种类和物理状态的差异，BEVs对生物膜形成的影响可以是正向的，也可以是负向的。值得注意的是，BEVs内容物被认为是生物膜的基本成分；例如，环境DNA形成了一个关键的生物膜底物，而粘附相关蛋白具有粘附特性。此外，许多生物膜基质蛋白，如亮氨酸氨基肽酶PaAP，已经在来自铜绿假单胞菌、霍乱弧菌和幽门螺杆菌的BEVs中被鉴定出来。在生物膜中释放的BEVs也可以隔离抗生素，从而促进细菌的存活和生物膜的发展。来自气单胞菌菌株和阴沟肠杆菌的证据表明，甚至BEVs的数量和浓度也与生物膜的形成呈密切相关。

鉴于BEVs是一种球形纳米结构，包含细菌的膜成分、外膜蛋白、脂质和结合在外表面上的可溶性材料，这赋予了BEVs作为诱饵的潜力，使细菌能够逃避外部攻击。例如，噬菌体治疗是限制细菌感染的一种有效的替代干预措施，这在很大程度上取决于外膜表面的噬菌体受体的存在。在霍乱弧菌的噬菌体治疗过程中，分泌的BEVs可以作为天然诱饵，保护细菌免受噬菌体的捕食，削弱噬菌体治疗的结果。T4是一种被充分研究的噬菌体，当T4与BEVs共孵育时，可明显结合和减少感染，使肠毒素大肠杆菌（ETEC）逃脱许多致命的环境应激。因此，BEV的产生可以通过中和针对亲本细菌的环境攻击来有效地提高生存能力。

此外，BEVs被认为通过携带中和酶或直接隔离细菌，在抗菌素耐药性中发挥重要作用。BEVs的产生与抗生素处理呈正相关，对BEVz的蛋白质组组成的分析显示，存在多种抗生素降解酶，包括β-内酰胺酶，表明BEVz的产生与抗生素耐药性之间有很强的关系。BEVs介导的吸收可以帮助细菌对抗抗生素。在补充BEVs或大肠杆菌的超囊泡突变体后，观察到抗菌肽（AMPs）多粘菌素B和粘菌素在大肠杆菌中的治疗效率明显下降。阻断BEVs的释放可增加细菌对抗生素的敏感性。此外，涉及功能性抗生素酶和转运体的物种内和物种间转移的适应性机制也被报道降低抗生素的疗效，并有助于提升细菌毒性。

毒力因子递送：如上所述，大量研究已经认识到BEV作为载体，将毒力因子传递到宿主细胞的关键作用，允许致病菌作用到体内的远端部位，而不直接从其环境生态位转移。一般来说，毒力因子来源于BEV的管腔和膜结构，包括毒素和黏附素。与其他递送方式相比，毒力因子包含在BEV中有几个明显的优势，如免疫系统逃逸、防止蛋白降解、增加浓度和稳定性、长距离递送和宿主细胞靶向特异性。对BEV组成的蛋白质组学分析显示，存在多种致病毒力因子，包括白细胞毒素、志贺毒素、溶血素、基因毒素、β-内酰胺酶和活性AmpC。例如，幽门螺杆菌是慢性炎症和消化性溃疡发展的最重要贡献者，而含有致癌毒力因子细胞毒素相关基因A（cagA）的BEV会导致上皮细胞通透性增加，并破坏上皮屏障的完整性。同样，牙龈蛋白酶是牙龈卟啉菌释放的典型毒素，对牙齿和牙周炎的支撑组织造成严重损伤，而BEVs的协同作用则增强了其毒性。与单独纯化的毒素相比，纯化的含毒素菌内酯的溃疡分枝杆菌BEVs的细胞毒性明显增加，表明毒素相关的BEVs在细菌致病性中起着关键作用。此外，BEVs介导的细菌蛋白向宿主细胞的远程传递可能代表了多种病原体的通用致病模式。

促炎和抗炎效应：炎症是宿主的一种适应性反应，以确保清除有害刺激和促进损伤组织修复，通常在组织稳态恢复时及时终止，过度炎症（称为细胞因子风暴）可能对身体有害。BEVs的所有结构和功能成分都来源于细菌，如脂多糖、脂蛋白和毒素，BEVs参与宿主炎症的发生和进展也就不足为奇了。虽然已知BEVs相关的炎症存在于不同的宿主组织中，但其机制尚未得到广泛的研究。越来越多的证据表明，在宿主免疫细胞中表达的模式识别受体（PRRs）通过病原体相关分子模式（PAMPs）负责感知和识别BEVs。不同的PRR家族成员已经通过其定位被鉴定出来，包括Toll样受体（TLRs）、c型凝集素受体（CLRs）、视黄酸诱导基因（RIG）I样受体（RLRs）和NOD样受体（NLRs）。由共同的适配器蛋白转导的PRR激活信号导致参与炎症反应的基因、转录因子和激酶的上调。由于不同细菌种类中BEVs负载的内容物含量和组成都有所不同，因此促炎反应的程度也可能有所不同。例如，THP-1细胞暴露于筛选后显示出各种趋化因子的表达增加，如C-C基序趋化因子配体1（CCL1）、CCL2、CCL5、C-C-C趋化因子配体1（CXCL1）、CXCL10、细胞间粘附分子1（ICAM-1）、IL-6和IL-8，而肺炎链球菌分泌的BEVs引起了人单核细胞来源的树突状细胞中IL-6、IL-8、IL-10和TNF的产生增加。NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3）炎症小体复合物的激活负责caspase-1的成熟和随后分泌成熟的IL-1家族细胞因子，包括IL-1β和IL-18。最近的研究报道，粘膜病原体幽门螺杆菌和铜绿假单胞菌释放的包含PG的BEVs可以特异性被NOD1受体识别，导致NF-κB通路依赖激活NLRP3炎症小体和IL-1β释放。总的来说，这些研究强调了BEVs介导宿主体内促炎反应的激活有广泛的途径。

除了上述致病菌来源的BEVs的促炎作用外，BEVs的抗炎活性也在各种非致病性物种中被介绍，主要是共生菌和益生菌。乳酸菌种群是一种典型的益生菌，其丰度的减少与炎症性胃肠道疾病的发生和发展密切相关；在LPS和葡聚糖硫酸钠（DSS）介导的体内外炎症反应中，乳酸菌衍生的BEVs通过抑制COX-2、iNOS和NF-κB表达表现出明显的抗炎作用。类似地，乳酸菌来源的BEVs也可以以单核细胞依赖的方式减少IFN-γ的产生，并抑制促炎细胞因子的释放。另一项研究利用大肠杆菌Nissle 1917（EcN）纯化的BEVs在小鼠模型中治疗DSS诱导的结肠炎，结果显示，BEVs预处理显著减轻了DSS诱导的体重减轻、临床症状和组织学评分。此外，包装在BEVs内的核酸也能调节炎症反应。sRNA52320是铜绿假单胞菌分泌的BEVs中检测到的一个小sRNA，通过丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路下调脂多糖诱导的细胞因子释放。总的来说，BEVs介导的炎症对宿主的益处和致病性的贡献已经在文献中得到了很好的介绍，但关于这些成分的本质和宿主病原体相互作用的潜在机制的新问题尚未得到充分的回答。

免疫调控：迄今为止，已有广泛的研究旨在探索BEVs在各种人类病理发生发展中的作用和潜在机制，其中BEVs相关的免疫平衡引起了广泛的研究兴趣。一般来说，BEVs可以根据其内容物活性成分和不同疾病的特征而赋予免疫抑制或免疫刺激作用。越来越多的证据表明，BEVs与一系列先天和适应性免疫细胞有着紧密的相互作用。

单核-巨噬细胞是研究最广泛的先天免疫细胞，负责宿主组织监测以及快速检测和消除侵袭性病原体。在牙龈卟啉菌、牙密螺旋体、嗜肺军团菌和鼠伤寒沙门氏菌感染的病例中，分泌的BEVs可以与单核细胞相互作用并激活巨噬细胞，导致细胞因子的释放，包括一氧化氮（NO）、TNF-α、IFN-α、IL-6、IL-8和IL-1β。幽门螺杆菌来源的BEVs也被证明通过促进人外周血单个核细胞中IL-10的产生来减少细胞因子反应。在BEVs对中性粒细胞的调节影响方面，提示纯化的BEVs可以直接与中性粒细胞相互作用并介导其激活，如在金黄色葡萄球菌中所示。中性粒细胞胞外陷阱（NET）是一种特定的中性粒细胞相关抗菌机制，肺炎链球菌与细胞外DNase TatD包装的BEVs可能通过破坏NET的形成来破坏免疫应答，从而调节宿主对感染的反应。树突状细胞（DCs）是一种抗原提呈细胞（APCs），它是连接先天免疫系统和适应性免疫系统的桥梁。与细菌细胞诱导的免疫反应相比，鼠伤寒杆菌来源的BEVs刺激的树突状细胞显示表面MHC-II、CD86和炎症介质（NO、TNF-α和IL-12）的表达显著增加，表明BEVs具有强大的促炎和抗原特性。有趣的是，在调节人类脆弱拟杆菌共生体的人类免疫反应的情况下，纯化的BEVs传递到肠树突状细胞，通过促进IL-10的产生和减少CD4+Foxp3+调节性T细胞的IL-17A的表达，表现出抗炎作用。综上所述，这些研究表明，BEVs和DCs相互作用的结果在很大程度上取决于微生物种类和宿主的病理生理状态。

除了上述BEVs对先天免疫细胞的免疫调节作用外，BEVs也被证明可以调节宿主的适应性免疫反应。卡他莫拉菌是一种居住在扁桃体内的呼吸道病原体，很容易被人扁桃体B细胞内吞和消除。然而，含有DNA的BEVs有可能与B细胞TLR9信号通路相互作用并激活；因此，BEVs作为诱饵，最终有利于细菌生存。此外，来自脑膜炎奈瑟菌血清组A和W135的BEVs组合显示出诱导IgG2a/IgG2b同型和IFN-γ产生的能力，表明长期B记忆细胞的产生和细胞介导的免疫反应的激活。然而，目前还需要更多关于BEVs如何直接与B细胞相互作用及其潜在机制的证据。相比之下，BEVs引起的T细胞反应已经在广泛的致病菌中得到了证明，如金黄色葡萄球菌、土拉弗朗西斯菌和鼠伤寒菌。在过继转移和基因敲除研究中，大肠杆菌来源的BEVs免疫主要通过Th1和Th17细胞应答有效刺激T细胞免疫和全身炎症反应综合征，最终阻止细菌诱导的致死性。BEVs在T细胞反应中也能表现出免疫抑制作用。在外周血单个核细胞中补充幽门螺杆菌来源的BEVs增加了COX- 2、PGE2和IL-10的表达，同时抑制了T细胞增殖。因此，根据其来源，BEVs可能在宿主的T细胞应答中具有多种多样的免疫调节作用。

BEVs与疾病发生

在过去的几十年里，随着检测和分析技术的快速发展，越来越多的证据证明BEVs在多种人类疾病发生发展中发挥了的关键作用，包括胃肠道疾病、呼吸性疾病、皮肤病、神经精神性疾病、牙周疾病、代谢性疾病、肌肉骨骼疾病和癌症。

胃肠道疾病：与其他器官相比，胃肠道拥有最多数量和种类的微生物，它们在能量获取、代谢和免疫调节中发挥重要作用。释放到肠腔内的BEVs有可能穿过黏液层，介导与病菌-宿主细胞的相互作用，这与宿主细胞的健康密切相关。一些研究已经证实了BEVs在各种胃肠道疾病中的致病作用，如消化性溃疡、肠道感染和炎症性肠病（IBD）。幽门螺杆菌在人胃中的定植已被确定为消化性溃疡疾病的主要病因。一方面，含有多种毒力因子（VacA、脲酶和CagA）的幽门螺杆菌BEVs很容易被内化，导致胃上皮细胞的生物活性功能受损和细胞间紧密连接的破坏。另一方面，幽门螺杆菌BEVs可能通过促进IL-6、IL-8、TNF-α和IFN-α的产生，对上皮细胞和免疫细胞产生促炎作用。霍乱弧菌和致病性大肠杆菌是涉及胃肠炎的代表性病原。霍乱弧菌和致病性大肠杆菌分泌的BEVs作为多种毒力因子的载体，如霍乱毒素、热不稳定肠毒素、溶血素和志贺毒素，导致内皮细胞毒性、凋亡和炎症细胞因子释放。IBD，包括克罗恩病和溃疡性结肠炎，其特征是胃肠道的慢性复发-缓解性炎症。肠道微生物稳态的改变与IBD的发病机制和进展密切相关。来自致病性大肠杆菌的BEVs通过肠上皮细胞的TLRs途径刺激炎症产生，甚至通过毒素传递诱导内皮和上皮线粒体相关的凋亡。尽管有上述事实，但关于BEVs介导的微生物-宿主相互作用的调控机制仍有许多未解的谜题。

呼吸道疾病：许多研究已经表征了与人类健康和疾病相关的呼吸道微生物群。呼吸道微生物群的稳态失衡与诸多的肺部疾病有关，包括慢性阻塞性肺疾病（COPD）、肺纤维化、哮喘和急性肺损伤。慢性气道炎症是多种慢性肺部疾病的共同特征，包括哮喘和慢性阻塞性肺病。金黄色葡萄球菌在鼻咽部的定植可能是肺部疾病的一个危险因素。Kim等人提供了新的证据表明，补充金黄色葡萄球菌BEVs对巨噬细胞和气道上皮细胞导致IL-6和TNF-α的产生，重复气道暴露金黄色葡萄球菌BEVs可以以TLR2依赖性方式诱导Th1和Th17中性粒细胞性肺部炎症。在来自室内粉尘的革兰氏阴性菌，如大肠杆菌的BEVs中也观察到类似的结果。此外，在微生物相关急性肺损伤情况下，含有PAMPs和损伤相关分子模式（DAMPs）的BEVs可触发肺组织中炎症细胞（巨噬细胞和中性粒细胞）浸润和细胞因子（IL-6、TNF-α和IL-1β）的表达。

皮肤疾病：寻常痤疮（痤疮）是一种高度普遍的炎症性皮肤疾病，涉及到微生物群及其与先天免疫系统的相互作用。皮肤细菌的微生物失衡包括痤疮表皮杆菌、表皮葡萄球菌和金黄色葡萄球菌参与炎症痤疮。角质形成细胞是表皮的主要细胞类型，当暴露于DAMPs和PAMPs时，它参与了炎症和免疫反应的激活。蛋白质组学分析确定痤疮丙酸杆菌来源BEVs中含有多种毒力因子（如NlpC/P60、CAMP因子和Hta结构域蛋白）。与此同时， 痤疮丙酸杆菌来源的BEVs显著诱导IL-8和GM-CSF的产生和表皮角质形成细胞的表皮分化失调，导致痤疮样表型。特应性皮炎，以表皮增厚和嗜酸性粒细胞及肥大细胞浸润为特征，本质上与皮肤中异常的微生物群稳态有关，特别是金黄色葡萄球菌。先前的宏基因组分析和对特应性皮炎患者中病原体特异性EVs的血清检测表明，金黄色葡萄球菌是特应性皮炎病变中检测到的最主要的微生物，其EVs特异性IgG和IgE比正常对照组高2倍。组织学分析发现，特应性皮炎病变的表皮中存在丰富的葡萄球菌蛋白A（SPA），蛋白质组学分析显示，金黄色葡萄球菌BEVs含有多种致病分子（如A-溶血素和半胱氨酸蛋白酶），表明其可能与表皮屏障功能障碍有关。此外，完整的金黄色葡萄球菌BEVs以TLR2-和NOD-2依赖的方式刺激角质形成细胞中促炎细胞因子（包括IL-1b、IL-6、IL-8和MIP-1a）的释放。在体内模型中，局部应用完整的金黄色葡萄球菌BEVs可特异性地诱导特应性皮炎样皮肤病变中的炎症细胞浸润和炎症反应。因此，金黄色葡萄球菌BEVs可能是治疗特应性皮炎进展的潜在治疗靶点。

神经精神疾病：最新证据表明，微生物群在肠道和大脑之间的双向通信中起着关键作用，BEVs深度参与了许多神经系统疾病的发生发展。血脑屏障（BBB）是一种高度选择性的屏障，它控制着血液和神经组织之间的物质交换和分子转运。一些研究已经提供了在脑组织中存在细菌成分，如rRNA和rDNA，并推测这些微生物核酸的一部分可能通过BEVs传递的穿过血脑屏障。此外，BEVs可以破坏血脑屏障的完整性，并导致其他BEVs或细菌产物进入大脑的途径增加。神经炎症是一种常见的神经疾病病理特征，在阿尔茨海默疾病（AD）、亨金顿病、帕金森病（PD）和抑郁/焦虑中导致异常蛋白质聚集、神经元功能障碍甚至细胞死亡。一方面，一旦易位进入大脑，BEVs就会直接改变神经功能，并通过释放酶和调节RNA等生物物质来诱导病理变化。放线菌聚集杆菌BEVs通过TLR8和NF-κB信号通路，通过血脑屏障增加大脑TNF-α水平和随后的神经效应。相比之下，含有各种DAMPs/PAMPs（如LPS、脂蛋白和核酸）的BEVs很容易通过TLR和NOD信号通路刺激宿主免疫细胞和非免疫细胞，产生全身炎症，最终导致神经炎症。因此，BEVs可能是神经系统疾病发病机制中的一个重要的额外途径。

牙周疾病：牙周病是一种常见的感染性疾病，涉及到一系列的细菌种类，其特征是周围的炎症微环境和牙周结构的破坏。来自牙龈卟啉菌的BEVs与口腔炎症微环境的形成有关。早在1985年，研究人员就观察到了牙龈卟啉菌产生BEVs的现象，但其致病作用尚未明确。蛋白质组学和RNA-seq分析显示，牙龈卟啉菌BEVs富含多种毒力因子或毒力因子调节因子，包括牙龈蛋白酶、血红素-结合脂蛋白和非编码RNA，使细菌能够穿透深层组织并激活炎症宿主反应。与母体细菌相比，BEVs显著促进巨噬细胞和内皮细胞中细胞因子和促凋亡因子（包括TNF-α、IL-6、IL-8、IFN-γ、LDH和7-AAD）的产生，导致细胞损伤、结缔组织破坏和牙泡骨吸收。此外，最近对放线菌、龈沟产线菌和核梭杆菌释放的BEVs成分的了解也为探究BEVs在牙周病中的致病作用提供了新的线索。

代谢性疾病：越来越多的证据已经证实了微生物群在宿主能量代谢平衡中的核心作用，其改变与多种代谢紊乱的发生和进展密切相关，特别是肥胖和糖尿病，尽管确切的机制尚不清楚。在这方面，BEVs通过包裹多种的生物活性分子，扮演了微生物-宿主通信的关键介质。嗜粘性阿克曼菌是一种调节肠道屏障完整性的有益细菌。给高脂饮食（HFD）诱导的糖尿病小鼠使用嗜粘液菌BEVs可导致肠道屏障通透性降低，体重增加减少，葡萄糖耐量改善。此外，2型糖尿病（T2D）患者的粪便样本中嗜粘液链球菌BEVs较少，提示与能量代谢密切相关。此外，肥胖和胰岛素抵抗通常与低级别炎症有关，脂肪细胞和巨噬细胞是其中主要角色。TLR-4依赖的细胞因子的产生是BEVs介导的促炎组织的重要途径；TLR-4在骨骼肌和肝脏脂肪组织中高表达。在HFD条件下，TLR4敲除小鼠显示血糖和葡萄糖耐量降低，胰岛素敏感性改善。此外，据报道，巴西假单胞菌BEVs可以阻断骨骼肌和脂肪组织中的胰岛素信号通路，并在小鼠中诱导一种典型的糖尿病表型。此外，来自牙龈卟啉菌的BEVs也参与了T2D的进展，含有活性蛋白酶牙龈蛋白酶的BEVs被转移到小鼠肝脏，导致糖代谢的改变和胰岛素敏感性的降低。牙龈卟啉菌BEVs也减弱了肝HepG2细胞中胰岛素诱导的Akt/ GSK-3β信号通路。这些结果揭示了BEVs与宿主代谢之间的复杂多面关系。

骨骼肌肉疾病：骨稳态是通过保持骨形成和骨吸收的动态平衡来维持的，肠道微生物群组成和代谢物的改变通过影响矿物质吸收和刺激炎症与骨代谢受损有关。异常的骨质流失可能是由衰老、荷尔蒙失衡和饮食因素引起的，所有这些都被证明伴随着微生物群的变化。此外，Liu等人最近的一项研究报道，健康儿童的肠道微生物群通过逆转卵巢切除诱导的嗜粘球菌的减少，减轻了卵巢切除小鼠的骨丢失和骨代谢改变。值得注意的是，嗜粘菌菌对骨质疏松的保护作用很大程度上归因于BEVs的分泌，BEVs在骨组织中易位和积累可促进成骨活性和抑制破骨细胞形成。同样，Chen等还发现，益生菌菌株动物乳杆菌的组成在小鼠糖皮质激素诱导的股骨头坏死（ONFH）中明显减少，口服补充动物乳杆菌显著减轻ONFH的程度通过促进血管化，成骨和抑制细胞凋亡。在机制上，动物乳杆菌BEVs可以选择性地运送各种功能蛋白并将其运送到股骨头，因此BEVs通过改善内皮细胞和骨细胞的活性和功能来防止骨小梁损伤和骨丢失。此外，已经证明，微生物群的变化被认为是影响类风湿关节炎（RA）发病机制的关键危险因素，类风湿关节炎是一种以滑膜炎症为特征的慢性炎症性疾病，导致进行性软骨和骨破坏。牙龈卟啉菌是一种与RA相关的重要致病菌，在RA患者的滑膜液中已检测到来自牙龈卟啉菌的DNA。肽基精氨酸去亚胺酶（PAD）是牙龈卟啉菌中的一种酶，据报道可介导人类蛋白的瓜氨酸化，并可能导致RA对瓜氨酸蛋白失去耐受性。Gabarrini等人发现，PPAD可以被A-LPS修饰，并通过BEVs途径逃避蛋白降解有关。因此，BEVs依赖的调节机制可能代表了维持骨稳态的重要机制。

肿瘤：微生物组稳态的多样性和功能的改变与多种肿瘤的病理发生有关。从外膜脱离的BEVs可以进入循环系统，扩散到远处的器官和组织，可能导致肿瘤的发生。BEVs有一些潜在的促肿瘤机制，包括直接影响基因组的稳定性或细胞周期，促炎肿瘤微环境的产生，以及某些致癌物的产生。如上所述，TLRs是典型的PPRs敏感的BEVs成分，包括核酸、LPS和肽聚糖，并触发临时的炎症以确保病原体清除，而不受控制的慢性炎症也会导致疾病，包括癌症。例如，宏基因组分析显示，核杆菌在结直肠癌组织中富集，而核杆菌释放的BEVs可能通过抑制免疫反应和引发炎症来驱动肿瘤发生。同样，研究发现，幽门螺杆菌BEVs在胃癌患者的胃液中也表达上调。含有CagA和VacA的幽门螺杆菌BEVs被认为具有改变细胞生长、DNA完整性和非整倍体的能力，这意味着它与胃癌发生密切相关。此外，牙龈卟啉菌，牙周病的主要病原体，最近被证明可以促进口腔鳞状细胞癌（OSCC）的进展。牙龈卟啉菌BEVs含有由多种小RNA（sRNAs），具有靶向改变宿主mRNA功能和/或稳定性的潜力，其中sRNA23392被发现可以促进OSCC细胞的侵袭和迁移。到目前为止，各种证据表明，BEVs对肿瘤发生的影响很大程度上依赖于环境，BEVs在肿瘤发生中的潜在作用在多个研究中得到了很好的探究；然而，其中具体机制仍未完全阐明。

BEVs与临床应用

基于BEVs在低成本规模化生产、运输和存储稳定性、易于修饰和优良的免疫调节特性等优势，BEVs具有强大临床应用潜力，包括在疾病诊断、疫苗开发和新疗法方面的应用（图4）。

图4. 基于BEVs的临床应用概览

BEVs与疾病诊断：如上所述，微生物组稳态的失衡与各种人类疾病的发生发展展密切相关，而与疾病相关的微生物组的变化可能反映在人体液中BEVs的丰度和组成上。微生物群释放的BEVs可以直接穿透粘膜和邻近的上皮细胞，到达血液循环分布全身。携带有不同亲本基因组和代谢信息的BEVs提示了它们的来源，并反映了微生物群的组成和代谢状态。在这种情况下，通过检测尿液、血液和其他体液中的BEVs表达谱，可以帮助诊断机体生理和疾病状态。

近年来，先进精确的多组学技术（宏基因组学和代谢组学）结合生物信息学分析技术，提供了在健康和疾病条件下的BEVs在系统发育、相互作用和功能方面的详细景观。与人类细胞来源的EVs相比，将BEVs作为疾病中的生物标志物的探索仍处于起步阶段。迄今为止，已经有几种基于BEVs的疾病诊断模型被报道，用于协助阿尔茨海默氏症、特应性皮炎、过敏、呼吸系统疾病和癌症的诊断分析。尽管有这些令人振奋的研究结果，但在进行推广临床应用之前，仍需要解决多种挑战和困难。其中一个关键问题就是需要一个特殊的技术平台来收集、筛选和解读庞大的数据集。此外，BEVs提取物的实际高度复杂的，并取决于其来源和分离方法，这在很大程度上削弱了BEVs诊断效率的敏感性和特异性。

值得注意的是，基于BEVs的诊断模型与其他诊断模式复合，可以提供更好的诊断效能。利用宏基因组和代谢组学分析自结肠直肠癌患者和健康参与者的粪便分离的BEVs，显示了微生物变化和代谢变化之间的联系，表明BEVs携带的动态代谢信息反映了主机的营养状态，新陈代谢和免疫反应疾病的存在。此外，BEVs-宏基因组学和免疫分析法复合可用于开发一种新的诊断方法。例如，室内灰尘来源的BEVs参与呼吸道疾病的发生，结合BEVs宏基因组特征评估和基于ELISA分析血清中特异性核心致病性的室内灰尘BEVs的IgG，被发现是一个有效的肺疾病诊断工具。因此，基于BEVs的诊断技术具有广泛应用于临床的潜力。

BEVs与疫苗研制：抗生素耐药性的迅速传播引发了探寻新的抗菌疗法的迫切需要，包括疫苗研制。BEVs是非复制性实体，大小为20-250 nm，并包含多种PAMPs，可模拟细菌的免疫原性，这增加了BEVs作为有吸引力的疫苗候选。近年来，BEVs作为研制细菌病原体疫苗的潜力得到了广泛的探索。

如前所述，BEVs主要由细菌外膜成分组成，因此包含多种关键的抗原成分，如脂多糖、脂蛋白和核酸，以刺激体液和细胞免疫反应。BEVs的内在特性已经在疫苗学领域被探索了几十年。1987年，最具代表性和最成功的抗脑膜炎奈瑟菌的BEVs疫苗首次在古巴获得许可使用，随后被用作防治挪威、新西兰爆发的B型脑膜炎球菌病的疫苗。同样，从许多其他革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌中提取的BEVs正在被开发出来用作预防由霍乱弧菌、肺炎克雷伯菌、百日咳博德氏杆菌、鼠伤寒沙链球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌和产气荚膜梭菌引起的致病性感染的候选疫苗。BEVs疫苗的免疫刺激效率与整个灭活细胞疫苗相当，接种疫苗的动物表现出细胞和体液免疫反应，从而降低细菌毒性和致命性。这些研究突出了BEVs在疫苗开发中的广阔前景。

此外，BEVs可以作为疫苗佐剂，以增强和塑造免疫反应的质量和强度。BEVs包含多种PAMPs(如脂多糖和脂蛋白)，它们的天然构象与相应的PPRs（如TLRs和NLRs）相互作用，促进APCs成熟和抗原特异性免疫应答激活。例如，最近的研究报告称，用大肠杆菌BEVs与疟疾传播阻断抗原共同刺激在小鼠引起强烈的体液和细胞免疫反应，抗体滴度与传统佐剂相当，如霍乱毒素和MF59C.1，同时没有明显的副作用或体重丢失。同样，BEVs对流感疫苗抗原和乙型肝炎病毒表面疫苗抗原也显示出较强的佐剂活性。鼻内注射流感疫苗与BEVs获得的硫酸铵沉淀和DGC，显著刺激小鼠抗原特异性体液和细胞免疫反应，对致命剂量的同源或异源流感病毒显示出显著更高的保护率，且没有明显副作用。这些结果表明了BEVs具有作为安全有效的疫苗佐剂的潜力。

尽管有这些鼓舞性的研究数据，但在BEVs能够安全地用于疫苗接种之前，必须解决一些潜在问题，如它们的高免疫原性、异质性、菌株变异和相关保护性抗原的低表达。基因工程技术正在研究如何提高BEV的免疫原性、安全性和生产效能，同时去除BEVs毒素和有害物质来解决这些问题。对亲本细菌的基因编辑可以完善BEVs的功能；例如，异源抗原可以锚定在位于BEVs表面的天然蛋白上，包括大肠杆菌的溶细胞素A蛋白或脑膜炎奈瑟菌的因子H结合蛋白（fHbp），促进它们大量与OMVs的交联。这些基于BEVs的工程疫苗已在H1N1流感、鲍曼不动杆菌和肺炎链球菌感染模型中成功验证。此外，限制BEVs作为潜在疫苗使用的低产量效率的问题在很大程度上可通过基因工程方法来改变高起泡性细菌外膜的结构和完整性来解决。然而，与野生型相比，这些对细菌外膜的修饰是否导致了不同的BEVs的功能特性尚不清楚。

BEVs与新疗法开发：近年来，精准医疗，也称个性化医疗，吸引了越来越多的研究关注，使患者护理从诊断到治疗得到个性化定制。鉴于BEVs固有的结构和功能特征，如纳米级尺寸、无细胞系统、免疫原性和易于基因工程编辑，BEVs在精准医学中显示出了巨大的治疗潜力，其临床应用也得到了广泛的探索。

图5. 基于BEVs肿瘤治疗应

因此，从共生细菌和益生菌分离的天然BEVs可能作为潜在的治疗候选。例如，乳杆菌的减少与糖皮质激素诱导的股骨头坏死有关。乳杆菌BEVs通过增强血管丰度，增加成骨活性，减少细胞凋亡，大大改善了骨微结构，减轻骨坏死的程度。直接补充嗜粘液链球菌BEVs也被证明可以减少多种病理事件，包括重新平衡骨代谢稳态以预防骨质疏松症，改善糖耐量和肥胖，以及增强上皮功能以缓解IBD等。此外，乳杆菌BEVs通过改变小鼠海马中促神经因子的表达，对应激诱导的抑郁样行为有治疗作用。因此，基于BEVs的治疗策略已成为治疗许多难治性疾病的新颖和有前途的治疗方式。

BEVs基于其内在特性，如装载能力、特定的靶向性和温度稳定性，也可以作为有效的药物传递载体。与脂质体、聚合物和金属基纳米颗粒等传统纳米材料相比，基于BEVs的递送平台具有明显的优势，特别是在细胞间通信方面。研究人员已经开发了各种策略，以确保生物活性物质成功载入BEVs；目的化合物或生物分子可以通过母本细胞编辑方法主动封装，也可以通过外源性孵育、渗透、电穿孔等直接修饰BEVs。BEVs可以装载各种有效的蛋白质、RNA和小分子药物，从而防止酶降解，实现控制性释放，实现远端递送，并协同增强治疗效果。在右旋糖酐硫酸钠诱导的结肠炎动物模型中，发现人治疗蛋白角质形成细胞生长因子-2（KGF-2）可以减轻疾病的严重程度，促进肠上皮修复和恢复。特别是，工程化BEVs的特异性靶向肿瘤细胞与肿瘤细胞受体配体，能够保护他们的内容，如化疗药物，被蛋白酶或核酸酶降解可能，并相比传统化疗，赋予基于BEVs的抗癌治疗更高的特异性和更少的副作用。之前的一项研究开发了被HER2配体修饰的工程大肠杆菌BEVs，并装载特异性抗肿瘤siRNA，对癌细胞具有高特异性和显著的肿瘤细胞杀伤作用。同样，表皮生长因子（EGF）受体通常在许多上皮来源的肿瘤细胞表面表达；因此，表面表达EGF的工程化BEVs对肿瘤细胞具有高特异性，阻碍肿瘤生长，降低肿瘤负荷，且没有明显的不良反应。此外，基于BEVs的抗癌疗法也可以与其他新技术相结合，如免疫治疗和纳米技术，以增强治疗效果（图5A-D）。为了进一步增强BEVs的功能和可扩展性，研究人员设计并构建了一种混合真核-原核囊泡（EPV）纳米平台，通过将减毒的沙门氏菌BEVs与肿瘤细胞膜和囊泡融合，从而引发强大的肿瘤特异性免疫反应。此外，EPV平台具有很高的可扩展性，以加载互补的光热模式，并保护小鼠免受黑色素瘤的侵袭。因此，BEVs和其他传统治疗方法的结合可能有助于开发关于癌症治疗的新方法。

结论和展望

在过去的几十年里，微生物群稳态，特别是肠道微生物群，与人类健康之间的密切联系已经被深入研究。来自各种共生菌和致病菌的BEVs被证明深度地参与了诸多的生理和病理过程，并在生物医学中显示出巨大的应用潜力。在这种背景下，我们对BEVs起源、生物发生、构成、生物功能和临床应用的知识正在迅速增长。越来越多的证据表明，BEVs的产生和释放呈现了一种保守的和主动的分泌机制，在这种机制中，特点类型的分子注定会被分选进入BEVs中，从而赋予BEVs生物功能的多样性在，包括生物膜形成、抗生素耐药性、毒力因子传递、炎症和免疫调节等方面。BEVs的生物学特性包括大小、内容物组成和产量受到多种遗传和环境因素的显著影响。此外，携带多种生物活性分子BEVs在体内游移可能为多种系统性疾病的发病机制提供了一个新的线索。此外，由于其具有高生物相容性、低毒性、免疫原性、易于编辑修饰和细胞靶向等独特的特点，BEVs在临床环境中具有广泛的应用价值，包括疾病诊断、疫苗研制和新疗法开发等。

尽管最近我们在了解BEVs的生成和初步应用方面取得了显著的成就，但关于BEVs的生物发生的潜在机制及其在疾病中的确切功能作用仍存在诸多谜题。例如，BEVs可以被细胞以不同的形式释放，这取决于它们的生长条件、应激程度和物种类型。是否存在有一个普遍的机制来感知刺激并驱动BEV的生成？内容物是如何在进行分选和有选择地包装进入BEVs？外部因素如何影响BEVs的内容构成和释放？BEVs如何在全身分布并与宿主细胞相互作用？它们是针对特定的目标细胞吗？尚未被识别的BEVs内容物是否具有特定的生物功能？在未来，通过利用高通量测序、多组学方法、人工智能分析和纳米生物技术等领域的深入广泛合作可能为解决这些问题和促进转化应用提供新的思路。此外，在BEVs的生物医学利用方面还存在一些长久的挑战和技术问题。例如，BEV的制备、纯化和鉴定技术仍处于起步阶段，需要更可靠、可重复性的、高效的和标准化的BEVs生产程序。BEVs相关的免疫原，如LPS，对疫苗的开发至关重要，但也可引起免疫毒性并引起安全问题。因此，平衡免疫原性的高效性和消除免疫毒性将是未来一个有趣的话题。此外，基于BEVs的细胞或组织靶向治疗在精准医疗方面显示出了巨大的前景，特别是在癌症治疗方面，但其准确性、特异性和效率有待进一步提高。

综上所述，BEVs领域的研究正在迅速扩展，并将继续彻底改变我们当前对BEVs的认知，特别在BEVs的生物发生、生物学功能和生物医学应用方面。基于BEVs的研究有望为我们提供一种全新的方式来思考各种疾病的发病机制和治疗策略。

致谢

本课题得到了国家自然科学基金资助项目（82130072；82072505）的资助。

利益冲突

作者声明没有相互竞争利益。

作者贡献

罗荣锦、常燕敏和梁怀真：课题构思，文献综述和文稿撰写；张伟锋和宋雨：文献综述，方法指导；杨操和李高才：课题监督实施，文稿修改和资金资助。所有作者都阅读并同意了文稿提交发表。

数据可用性

补充材料（图、表、脚本、图形摘要、幻灯片、视频、中文翻译版和更新材料）可通过在线DOI或iMeta Science http://www.imeta.science/获取。

引文格式

Rongjin Luo, Yanmin Chang, Huaizhen Liang, Weifeng Zhang, Yu Song, Gaocai Li, Cao Yang. 2023. Interactions between extracellular vesicles and microbiome in human diseases: new therapeutic opportunities. iMeta 2: e86. https://doi.org/10.1002/imt2.86

作者简介

罗荣锦（第一作者）

●  华中科技大学同济医学院附属协和医院，医学博士

●  主要从事椎间盘退变机制及再生修复策略研究，参与国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目及国家自然科学基金面上项目等多项课题，相关学术成果已Experimental and Molecular Medicine, Nature Communications, Theranostics, The FEBS journal等期刊

杨操 （通讯作者）

●  华中科技大学同济医学院附属协和医院骨科主任，脊柱外科主任，二级教授，主任医师

●  研究方向为椎间盘退变机制及再生修复研究、组织工程及骨相关生物材料研发、骨科内植入物增材制造研究。主持“十三五”国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目、湖北省创新群体等多项课题。近年来以通讯作者在Materials Today, Nature Communications, Science Advances, Advanced Functional Materials，Advanced Science, ACS Nano等国际顶级期刊发表SCI论文100余篇

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1卷1期

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期刊简介

“iMeta” 是由威立、肠菌分会和本领域数百位华人科学家合作出版的开放获取期刊，主编由中科院微生物所刘双江研究员和荷兰格罗宁根大学傅静远教授担任。目的是发表原创研究、方法和综述以促进宏基因组学、微生物组和生物信息学发展。目标是发表前10%(IF > 15)的高影响力论文。期刊特色包括视频投稿、可重复分析、图片打磨、青年编委、前3年免出版费、50万用户的社交媒体宣传等。2022年2月正式创刊发行！

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