用于靶向药物输送的工程化外泌体
摘要：外泌体是细胞衍生的纳米囊泡，参与细胞间物质的运输。治疗剂，如小分子或核酸药物，可以被整合到外泌体中，然后被输送到特定类型的细胞或组织中，实现靶向药物输送。靶向输送增加了治疗剂的局部浓度，并最小化了副作用。在这里，我们详细回顾了通过遗传和化学方法工程化外泌体以实现靶向药物输送的情况。尽管仍处于起步阶段，基于外泌体的药物治疗以其低毒性、低免疫原性和高可工程性而备受赞誉，并有望用于治疗各种疾病。
引言
1981年，Trams等人通过透射电子显微镜发现了一组直径40-1000纳米的类似囊泡结构，这些结构比多囊泡体小。后来，Johnstone等人在网织红细胞成熟过程中发现了一种类似囊泡的结构，并通过100,000 ×g的超速离心从绵羊网织红细胞中分离出这些膜结合囊泡90分钟。这些类似囊泡的结构首次被命名为外泌体。然而，当时外泌体的发现并没有受到太多关注，因为这些囊泡被认为是成熟红细胞的废物产物。直到最近，这些囊泡才被描述为通过细胞膜与细胞内多囊泡体（MVBs）融合后通过外泌作用释放的膜结合细胞外囊泡。现在，外泌体已广泛发现于所有体液和组织中，包括血液、尿液、母乳、羊水/滑膜液/腹水、唾液和脂肪组织。随着越来越多的细胞外囊泡类型被发现，外泌体的定义也在不断演变。外泌体介导细胞间通讯。通过外泌体，供体细胞可以将外源性物质，如蛋白质、mRNA、微小RNA（miRNAs）和脂质，转移到受体细胞。因此，这些天然装备的纳米载体已被用于药物输送。与合成药物载体相比，从患者自身细胞分离的外泌体具有更高的生物相容性和更低的毒性。外泌体还可以穿透组织，扩散到血液中，甚至穿过血脑屏障（BBB）。外泌体介导的输送绕过了P-糖蛋白药物外排系统，这可以减少药物抗性。外泌体也具有很高的可工程性。外泌体表面蛋白的工程化赋予了细胞和组织特异性。尽管将外泌体作为药物输送载体的使用是许多综述文章的主题，但这里我们专注于工程化外泌体用于靶向药物输送。在这篇综述中，我们将介绍外泌体作为药物输送载体的特性，总结修改外泌体膜的策略，说明外泌体介导的靶向药物输送在各种疾病模型中的应用，并强调关键的转化挑战和机遇。
生物生成、分泌和细胞内进入
起源于内吞途径，外泌体由包含通过与细胞膜的外泌融合生成的多个囊泡的MVBs释放。外泌体的生成包括四个步骤：芽生、内陷、MVB形成和分泌。作为一种芽生形式，细胞膜的内陷形成有衣壳蛋白包被的囊泡，并且衣壳蛋白囊泡进入细胞质形成早期内体。蛋白质、脂质和核酸被特异性排序和封装，形成多个腔内囊泡（ILVs），它们是外泌体的前体。在晚期内吞作用后，多个ILVs进一步发展成晚期内体（LEs）。然后，一部分LEs进入溶酶体途径，而其他的与细胞膜融合，最终以外泌体的形式将多个囊泡结构释放到细胞外基质中。
已经提出了不同的机制来解释外泌体的形成，其中大多数通过所需的运输内体分选复合体（ESCRT）发挥作用。ESCRT系统包含四个蛋白复合体：ESCRT-0、ESCRT-1、ESCRT-2和ESCRT-3以及辅助蛋白，如VTA1、ALIX和VPS4。这些蛋白在MVBs的逐步形成中协同作用。包裹在MVBs中的腔内囊泡被输送到溶酶体中被降解，或者直接以细胞外囊泡的形式分泌到细胞外环境中。最近的一项研究发现，纯化的外泌体富含神经酰胺，并且抑制鞘氨醇酶的表达减少了外泌体的细胞外分泌能力，这与神经酰胺介导的膜芽生机制一致。其他研究已经证实，脂质、四跨膜蛋白和/或热休克蛋白参与了ILVs的生成和MVBs排序。例如，CD63在没有ESCRT和神经酰胺的情况下将与黑素瘤相关的蛋白排序到人类ILVs中。此外，CD81独立地将一系列配体排序到外泌体中。这些途径统称为ESCRT非依赖性机制。外泌体分泌到细胞外基质主要由MVB和细胞膜的融合驱动，并依赖于几个G蛋白家族和SNARE复合体的辅助作用。SNARE蛋白介导外泌体与溶酶体或细胞膜的转位和融合。此外，基于GTP酶RAB7A、RAB7B、RAB35和RALA的底物的MVB锚定机制也影响外泌体释放到细胞外液。外泌体进入受体细胞的机制可能同时涉及多种途径。外泌体可以直接与质膜融合，也可以通过脂筏、洞穴蛋白或衣壳蛋白介导的吞噬作用、微囊泡或内吞作用被摄取（图1B）。从理论上讲，外泌体可以被传递到任何细胞类型。然而，一些研究表明，外泌体可以以高度细胞类型特异性的方式内化，这取决于细胞或组织对外泌体表面分子的识别。例如，CXCR4/SDF-1α相互作用被证明可以介导内皮祖细胞（ECFC）衍生的外泌体选择性地转移到肾脏，大多数淋巴结基质衍生的EVs含有TSPAN8-整合素α-4复合体，被发现选择性地被内皮细胞或胰腺细胞摄取，并且被亲本淋巴结基质细胞内化到较小的程度。因此，不同类型的外泌体可能包含作为其他细胞配体的蛋白质信号，这些受体-配体相互作用可以用于靶向外泌体输送。这种自然机制随后激发了外泌体表面蛋白的工程化，以实现靶向药物输送。
货物包装
外泌体可以转移各种类型的货物，包括DNA、RNA、脂质、代谢物和蛋白质。迄今为止，ExoCarta外泌体数据库（http://www.exocarta.org）已经收集了来自不同类型细胞和多个生物体的外泌体中鉴定出的9769种蛋白质、3408种mRNA、2838种miRNA和1116种脂质。尽管细胞来源决定了外泌体分泌的蛋白质种类，但外泌体中80%的蛋白质在不同细胞中高度保守。一些蛋白质被用作外泌体的生物标志物，包括ALIX、TSG101、热休克蛋白和四跨膜蛋白CD63、CD9和CD81。这些跨膜蛋白占外泌体靶向和选择性进入受体细胞。大多数包装在外泌体中的蛋白质与MVB形成过程有关，包括Rab和annexin。
核酸在外泌体中含量丰富，包括mRNA、miRNA、线粒体DNA和piRNA、lncRNA、核糖体RNA、snRNA和tRNA。尽管外泌体中包含的核酸是大约200 bp的降解片段，但它们仍能影响受体细胞内的蛋白质合成。外泌体膜中的脂质包括胆固醇（chol）、磷脂、磷脂酰乙醇胺、多甘油和二甘油。值得注意的是，外泌体的脂质组成、分布和含量与细胞质膜不同。脂质分子不仅参与维持外泌体形态，如其稳定性和结构刚性，还参与许多生物过程。例如，它们可以通过与前列腺素和磷脂酶C和D相互作用作为信号介质。将货物装入外泌体需要绕过外泌体膜这一屏障。像脂质体这样的合成载体可以在其合成过程中装载药物。同样，向供体细胞中添加外源性药物可以预先装载外泌体。共表达供体细胞内的蛋白质货物也可以通过设计的蛋白质-蛋白质相互作用将它们引导到外泌体中。然而，预装载策略通常不适用于许多类型的货物，因此需要在体外装载纯化的外泌体。将外源分子封装到外泌体中的策略可以归类为主动或被动。电穿孔是被动包装中使用的一种方法。该过程通过电场在外泌体膜上形成临时孔隙，药物通过这些孔隙扩散，然后外泌体膜的完整性得以恢复。电穿孔已用于封装各种货物，包括蛋白质和mRNA。对于具有次优特性的生物药物，装入外泌体可以提高它们体内的稳定性、血液循环和细胞靶向效率。
表面工程
尽管是天然来源的载体，外泌体可以方便地进行表面修饰。表面工程的一个明显目标是赋予细胞类型靶向特异性。修饰策略包括遗传工程和化学修饰。遗传工程将引导蛋白或多肽的基因序列与选定的外泌体膜蛋白融合。这种方法对于表面展示肽和蛋白质是有效的；然而，它仅限于可以遗传编码的靶向基序。化学修饰允许通过偶联反应或脂质组装展示广泛的配体，既包括天然的也包括合成的。偶联反应可以共价且稳定地修饰外泌体表面蛋白，但外泌体表面的复杂性可能会降低反应效率，并且反应通常缺乏位点特异性的控制。共价修饰还可能危及载体的结构和功能。脂质或两亲性分子也可以插入外泌体的脂质双层中，允许它们的亲水部分在外部展示。这种方法由脂质自组装驱动，也可能增加外泌体的毒性。这些方法的详细信息将在下文阐述。
遗传工程
外泌体的遗传工程是赋予外泌体新属性的便捷方法。首先，配体或归巢肽与在外泌体表面表达的跨膜蛋白融合。随后，转染了编码融合蛋白的质粒的供体细胞会分泌带有表面靶向配体的工程化外泌体。
目前，LAMP-2B是最广泛使用的外泌体表面蛋白来展示靶向基序。LAMP-2B是溶酶体相关膜蛋白（LAMP）家族的成员，主要定位于溶酶体和内体，较小的部分循环到细胞表面。据报道，LAMP-2B蛋白在树突细胞衍生的外泌体上表达丰富。研究人员证明了LAMP-2B的N-末端显示在外泌体表面，并可以附加靶向序列。尽管LAMP-2B的完整结构尚未揭示，但已经阐明了小鼠溶酶体相关膜蛋白2（LAMP-2）远膜亚结构域的结构。人类LAMP-2B由29个氨基酸信号肽、一个大的N-末端膜外域和C-末端跨膜区域以及非常短的细胞质尾部组成。因此，靶向肽可以融合到LAMP-2B的N-末端的细胞外域。
特定器官或组织的细胞特异性结合肽可以通过噬菌体展示筛选和选择，并通过在LAMP-2B的N-末端进行遗传修饰来实现其靶向效果。转染质粒的供体细胞产生展示工程化肽配体的外泌体。例如，狂犬病病毒糖蛋白(RVG)肽（TIWMPENPRPGTPCDIFTNSRGKRASNG）显示出对乙酰胆碱受体的选择性结合，并已被用于开发神经特异性外泌体，将药物输送到中枢神经系统[47]。静脉注射装载miRNA-124的RVG外泌体被证明能够穿透皮层的缺血区域并促进神经发生。在另一个实验中，表达与LAMP-2B融合的αγ整合素特异性iRGD肽(CRGDKGPDC)的外泌体高效地将多柔比星(doxorubicin, DOX)输送到体外和体内静脉注射后的整合素阳性乳腺癌细胞。iRGD外泌体也被用来将KRAS siRNA特异性地输送到体内含有αvβ3的A549肿瘤，导致KRAS基因的特异性敲低和肿瘤生长抑制。tLyP-1肽(CGNKRTR)，一种非小细胞肺癌(NSCLC)归巢肽，选择性地靶向细胞膜中的神经丝蛋白-1(NRP1)和神经丝蛋白-2(NRP2)受体。tLyp-1外泌体选择性地将siRNA输送到人类NSCLC细胞。在最近的一份报告中，我们工程化了软骨细胞亲和肽(CAP, DWRVIIPPRPSA)外泌体，该外泌体特异性地将miRNA-140(miR-140)输送到关节中的软骨细胞，并减缓了大鼠模型中骨关节炎(OA)的进展。展示间充质干细胞(MSC)亲和肽E7的外泌体也已被用来将小分子kartogenin (KGN)输送到滑液来源的MSCs (SF-MSCs)，以促进它们的软骨生成分化并修复OA软骨。尽管这种遗传方法有效，但在某些情况下，靶向肽可能会被降解。为了增强展示在外泌体表面的肽的稳定性，可以在肽-LAMP-2B融合体的N-末端添加糖基化基序(GNSTM)。
LAMP-2B也可以与靶向蛋白或抗体片段遗传融合，在外泌体上展示抗体。与具有适度结合亲和力的肽相比，抗体或亲和体可以达到更高的亲和力，与靶细胞上的受体的KD值在低纳摩尔范围内。例如，为了改善慢性髓性白血病(CML)的治疗，研究人员通过将白细胞介素-3 (IL-3)融合到LAMP-2B的N-末端，改良了外泌体表面。IL-3是白细胞介素-3受体α (IL-3Rα)的天然配体，后者在CML原始细胞上高度表达。装载了伊马替尼和BCR-ABL siRNA的IL-3外泌体有效地杀死了CML细胞，并延长了异种移植小鼠的整体生存率。这些工程化外泌体的体内追踪显示它们迅速迁移到CML异种移植肿瘤。在另一个例子中，HER2结合亲和体zHER被融合到LAMP-2的N-末端。zHER外泌体对HCT-116结肠癌细胞显示出高结合亲和力和选择性，并在体内特异性地将5-FU和抗miRNA-21药物输送到HER2表达的肿瘤。类似地，表达HER2结合踝蛋白重复蛋白(DARPin)的外泌体将siRNA输送到HER2阳性的人类肿瘤细胞。Wang等人开发了表达在MSCs中的缺血心肌靶向肽(IMPT, CSTSMLKAC)的心脏细胞靶向外泌体。IMPT外泌体特异性地定位到缺血心肌区域，并在急性心肌梗死中发挥心脏保护作用。
除了LAMP-2B，血小板衍生生长因子受体(PDGFR)跨膜蛋白也常用于膜展示。在一个例子中，GE11 (YHWYGYTPQNVI)通过pDisplay载体遗传融合到PDGFR跨膜区域，以在293T细胞中产生GE11外泌体。GE11外泌体对表皮生长因子受体(EGFR)过表达的癌细胞显示出高亲和力和低有丝分裂活性，使它们成为EGFR靶向治疗的有希望的输送系统。在动物中，装载了抗肿瘤核酸抑制剂miRNA let-7的GE11外泌体显著抑制了肿瘤生长，与其肿瘤靶向能力一致。在另一个例子中，编码αEGFR西妥昔单抗和αCD3 UCHT1的scFv片段的两个基因被插入到PDGFR的N-末端信号肽和跨膜域之间。西妥昔单抗外泌体对EGFR过表达细胞显示出高灵敏度和特异性，而UCHT1外泌体特异性地识别T细胞。这些双特异性外泌体是癌症免疫治疗的有希望的平台。
具有两个细胞外环的四跨膜蛋白超家族CD63/CD9/CD81也可以被工程化以展示靶向序列或探针。例如，荧光蛋白pHluorin被插入到小细胞外环中，以探测外泌体的分泌和摄取。在另一个例子中，高密度脂蛋白(HDL)的主要结构和功能蛋白ApoA-1被展示在外泌体膜上，以结合清道夫受体B类1型(SR-B1)。SR-B1在许多类型的肝细胞癌细胞表面高度表达。ApoA-1被遗传插入到CD63的小细胞外环中，并作为融合蛋白表达，以促进其在外泌体表面的展示。从过表达ApoA-1的供体细胞中纯化的外泌体功能上将miRNA-26a输送到表达SR-B1的HepG2细胞，从而在体外抑制肝细胞癌的增殖和迁移。为了开发杜氏肌营养不良症(DMD)的治疗方法，一种由功能性肌营养不良蛋白缺失引起的儿童常见肌病，肌抑素前肽的抑制域与CD63的第二细胞外环融合，显著提高了其血清稳定性和输送效率。反复注射肌抑素前肽外泌体促进了肌肉的恢复和增殖，导致mdx小鼠肌肉降解和病理学显著阻断。
外泌体表面展示的抗原也可以作为抗癌疫苗使用。在一项研究中，将卵清蛋白(OVA)抗原融合到CD63上，产生了OVA外泌体，这些外泌体提高了DNA疫苗的免疫原性，并在异种移植模型中防止了肿瘤生长。膜结合的抗原货物也可以通过乳凝素的C1C2结构域展示，该结构域与含有磷脂酰丝氨酸的外泌体膜结合并定位，以增加支持免疫原性的细胞因子水平。外泌体靶向肿瘤抗原疫苗成功地在体内抑制了肿瘤生长。基于乳凝素设计的外泌体展示的融合蛋白的更多例子包括Gaussia荧光素酶-乳凝素和链亲和素-乳凝素。
通过信号肽将外泌体膜附着也是一种容易实现的膜展示方法。例如，蛋白质的C-末端，如抗体、报告蛋白或纳米抗体，可以与37个氨基酸残基的糖基磷脂酰肌醇(GPI)信号肽DAF连接，然后锚定到外泌体表面。在一项研究中，GPI锚定的EGFR特异性纳米抗体被用来特异性地靶向EGFR阳性的A431细胞。其他信号肽也被使用。例如，棕榈酰化信号肽(MLCCMRRTKQ)被遗传性地融合到荧光蛋白的N-末端，并锚定到外泌体膜上进行膜标记。这些表面锚定的嵌合体携带的外泌体代表了一种可行的策略，用于创建新的靶向治疗剂。
化学修饰
尽管探索较少，但外泌体表面也可以通过化学方法进行修饰。化学修饰的外泌体用于靶向药物输送的例子总结在表3中。例如，外泌体蛋白的氨基可以很容易地用炔基进行修饰。然后，炔基标记的外泌体蛋白可以通过铜催化的叠氮-炔环加成(CuAAC)“点击”反应与含有叠氮的试剂进行生物正交耦合。在一项概念验证研究中，这种方法被用来用小分子染料和更大的含有叠氮的模型蛋白修饰外泌体表面。胶质瘤靶向RGE肽(RGERPPR)通过与磺酰叠氮的环加成反应与外泌体共轭。静脉注射后，RGE外泌体穿透了血脑屏障，并靶向了肿瘤区域。使用装载了姜黄素的RGE外泌体进行的靶向治疗在携带肿瘤的小鼠中具有强烈的抗癌效果。在另一项研究中，肽c(RGDyK)(Arg-Gly-Asp-D-Tyr-Lys)通过生物正交点击反应与外泌体表面共轭。装载了姜黄素的c(RGDyK)外泌体被发现能够有效地穿透血脑屏障，并在短暂性中脑动脉闭塞的小鼠模型中抑制炎症反应和细胞凋亡。化学修饰也可以用来将大型生物分子共轭到外泌体上。大多数肿瘤表面都有CD47，与巨噬细胞上的信号调节蛋白α(SIRPα)相互作用，这降低了巨噬细胞吞噬肿瘤细胞的能力。研究人员设计了一种基于外泌体的免疫检查点阻断剂，拮抗CD47和SIRPα之间的相互作用。含有叠氮的外泌体与二苯环辛炔衍生化的SIRPα抗体进行了点击反应。化学修饰的外泌体被靶向以干扰肿瘤细胞表面的CD47-SIRPα检查点，它们的给药改善了免疫细胞对肿瘤细胞的吞噬。通过点击化学对外泌体进行化学修饰依赖于将外泌体的胺基团转化为炔烃。然而，这种反应并不具有位点特异性，因为人们无法控制哪些氨基酸基团（例如，N-末端氨基酸基团，赖氨酸残基的ε-氨基基团）或哪些蛋白质被修饰。非位点特异性的化学修饰可能会屏蔽一些蛋白质-蛋白质相互作用，并改变外泌体的识别特性。将两亲性分子插入外泌体的脂质双层是另一种化学修饰策略。以前的研究表明，聚乙二醇(PEG)修饰的1,2-二油酰-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺(DSPE-PEG)可以在外泌体膜中积累。这种方法已成功用于在外泌体上固定DSPE-PEG-RGD。当与肿瘤特异性靶向配体叶酸结合时，几乎所有注射的RGD外泌体都集中在肿瘤区域。化学修饰的RGD外泌体也与光热疗法和化疗结合，用于促血管生成治疗。由于σ受体在肺癌中过度表达，已被提出作为靶向外泌体输送的受体。茴香胺，包括氨基乙基茴香胺(AA)，是高亲和力的σ选择性配体。AA与DSPE-PEG成功共轭到外泌体膜上。与未修饰的外泌体相比，AA修饰的外泌体在肺癌细胞系中显示出增强的摄取，并且PTX的靶向输送在体内增强了治疗效率。这些研究表明，基于DSPE-PEG的配体修饰外泌体是肿瘤靶向药物输送的有希望的药物载体。由于DSPE-PEG已被FDA批准用于医疗应用，它已被广泛用于在外泌体膜上组装靶向基序。与DSPE一样，由于其疏水性，胆固醇(chol)可以自组装进入外泌体膜。在一项研究中，外泌体表面被修饰为与RNA适体(chol结合到PSMA-aptamer, EGFR-aptamer)或叶酸结合的chol。这些靶向外泌体将siRNA和miRNA输送到相应的肿瘤部位，并增强了抗肿瘤效果。另一项研究探讨了chol结合到AS1411适体介导的外泌体靶向输送到表达核糖体蛋白的肿瘤组织。其他脂质也已被用于将靶向配体系到外泌体表面。例如，开发了一种二酰基脂质-DNA适体(sgc8)共轭物，用于癌细胞特异性治疗。在一项比较C18-PEG2000、DSPE-PEG2000和chol-PEG2000的标记效率的研究中，发现chol结合的外泌体是最佳的，并在低温下提供了卓越的稳定性。
载有紫杉醇（PTX）的AS1411-胆固醇外泌体被有效地输送到目标癌细胞中，为癌症治疗提供了一个有希望的输送平台。另一项研究将载脂蛋白A-1模拟肽与脂质共轭标记外泌体，显著增强了它们被原发性胶质瘤细胞的选择性内化。更有趣的是，静脉注射的外泌体绕过了血脑屏障，作为脑癌治疗被输送到胶质瘤部位。另一个例子是，开发了一种靶向膜的嵌合肽（ChiP），用于将核定位信号（NLS）肽锚定到外泌体膜上。体内外实验表明，ChiP外泌体促进了光敏剂的核输送，并增强了光动力肿瘤治疗。外泌体表面的化学修饰不仅可以用于靶向药物输送，还可以用于活性外泌体的靶向输送。在MSC衍生外泌体表面展示与DOPE连接的RVG肽配体显著增强了它们在静脉注射后的大脑皮层和海马体的结合，这在阿尔茨海默病动物模型中预防了记忆缺陷。
膜融合
外泌体的脂质双层膜可以自发地与其他类型的膜结构融合。在一项研究中，含有病毒融合蛋白血管性水疱病毒（VSV）-G蛋白的融合外泌体直接将膜蛋白输送到目标细胞中，为膜蛋白治疗提供了一个新工具。外泌体与模拟病毒的囊泡（Vir-FV）融合形成杂交外泌体。与脂质体融合的杂交外泌体已被用于输送CRISPR-Cas9系统进行靶向基因编辑，并增强了抗癌药物的抗肿瘤活性。Tareste等人利用静电相互作用诱导阳离子脂质与外泌体融合。强烈的阳离子电荷增强了外泌体与受体细胞的结合和细胞摄取。将合成的含有叠氮的脂质体与供体细胞共培养也可以触发细胞分泌带有脂质膜上叠氮基团的外泌体。随后通过控制的点击反应与靶向肽进行生物共轭，增强了这些外泌体的肿瘤靶向能力。在一项研究中，与CGKRK肽共轭的外泌体被装载了PTX，用于靶向输送到B16F10肿瘤。
总结
在遗传工程方法中，靶向配体与外泌体膜蛋白遗传融合，并在供体细胞中过度表达。供体细胞因此产生遗传工程化的外泌体，展示靶向配体。外泌体的遗传工程是在外泌体膜上展示功能性配体的高度可访问策略，但需要质粒构建和供体细胞中蛋白质的过度表达。脂质或生物共轭反应也可以将靶向基团锚定到外泌体膜上。化学方法依赖于与表面蛋白的生物共轭靶向配体，但在化学操作过程中可能会发生表面蛋白的失活或外泌体的聚集。尽管存在局限性，但这两种方法都已成功实施。
展望
外泌体能够将封装的蛋白质和遗传信息传递给受体细胞，并作为细胞间的信息信使。来自不同细胞来源的外泌体表面锚定的分子不同，这赋予了它们对特定受体细胞的选择性。表面工程的目标是增加外泌体在病变部位的局部浓度，从而减少毒性和副作用，最大化治疗效果。最近，大型制药公司的一系列交易表明，业界期望外泌体能够将药物输送到难以到达的组织。尽管表面工程在靶向药物输送中被广泛使用，但它如何影响外泌体的稳定性、它们的细胞内进入途径以及体内的组织分布仍然需要阐明。
靶向细胞的外泌体可以用于成像研究或诊断。例如，通过生物素连接酶对外泌体进行酶促生物素化，实现了对外泌体的生物发光和荧光追踪。这一应用已在其他地方进行了广泛的综述。外泌体也可以与其他生物材料或无机材料结合用于生物医学用途。带有金属有机框架纳米颗粒的外泌体显示出增加的药物装载效率和释放特性，以及防止酶介导的蛋白质降解。外泌体与基于金属的纳米颗粒的结合还导致增强的放射治疗和放射动力治疗。DNA纳米结构也可以装饰外泌体表面，例如在分子识别基础上的六核苷酸适体的原位组装。由于早期癌症诊断和特定的肿瘤追踪器是癌症治疗中最大的挑战之一，快速发展的外泌体技术为整合诊断和治疗提供了强大的工具。外泌体治疗的未来包括将靶向外泌体与抗癌药物和高精度癌症诊断探针相结合，构建用于体内追踪、预后监测和治疗的多功能平台。
