外泌體納米穿孔器：開發智能藥物遞送系統的明日之星_風聞

馬車、汽車、列車、飛機，一代代交通工具的變更，交織起人類社會愈發高效的運輸網絡。同樣的，在人體內也交織着各種各樣的運輸網絡，包括生物分子、亞細胞結構、細胞以及組織等多種運載體，承載了體內物質運輸和信息傳遞的功能。為了進一步認識人類生理和病理活動的發生發展機理，科學家正在尋求安全、高效、智能的體外物質運載體，期待能夠融入人體的運輸網絡，將“貨物”精準有效地投放到人體的各個器官，實現疾病的有效預防和精準治療。

“一專多能”的細胞外泌體

1983年，Johnstone在體外培養綿羊網織紅細胞時發現一種名為外泌體的生物膜囊泡，形狀呈球形或圓盤形，直徑大約為30 ~ 200納米。這些小囊泡可以由絕大多數各個種類的細胞分泌而來，而且還廣泛存在於血液、尿液和腦脊液等人體體液中，甚至是葡萄和西柚等水果中。從那以後，科學家們知道外泌體是細胞內物質的載體，能夠把諸如核酸、蛋白質等物質包裹、裝載進去。

但在相當長的一段時間裏，外泌體僅被認為是體內細胞的“清潔工人”，只負責清理細胞內部的代謝產物。但隨着研究的逐漸深入，科學家們驚喜的發現外泌體還承擔了“快遞員”的工作，負責轉移和運輸細胞內源性貨物，實現細胞之間的相互通訊。這就好像是，兩個細胞分別住在深圳和廣州，不能互相喊話，只能通過“外泌體快遞”來運輸貨物並傳遞消息。

在細胞的工作場景中，細胞內的大多數分子，比如蛋白質，和細胞膜上的磷脂分子相比都很大，以致於無法直接穿過細胞的膜結構去完成自己的使命。所以，當細胞需要時時刻刻進行細胞間的能量轉換、信息識別與傳遞、物質運送等基本生命過程時，這些過程就依賴於一個複雜而又被精確調控的“物流運輸系統”。2013年，諾貝爾生理學或醫學獎頒發給發現“外泌體等細胞囊泡的運輸調控機制”的三位科學家，諾貝爾獎委員會將這一過程比喻為：人體猶如繁忙而巨大的"港口"。對"港口"來説，將貨物準時準點地運送到指定位置，是最為要緊的。而這些貨物的集裝箱，就是外泌體。

近幾年來，外泌體由於具有生物相容性好、體內滲透性高，免疫原性和免疫清除率低等特性，因而被研究人員視為人體內重要的“醫生”，在藥物遞送領域展現了巨大的應用潛力，並且有望成為下一代革命性藥物載體。外泌體的這些超能力，使得它們在疾病的早期診斷和精準治療方面收穫了大量關注和研發投入。

圖1. 外泌體——工作中的“多面手”

如何讓外泌體成為一名合格的“醫生”？

根據國際癌症研究機構 （IARC） 發佈的2020年全球最新癌症負擔數據，預估了全球185個國家和地區38種癌症類型的最新發病率、死亡率情況。這項最新數據顯示，2020年全球新發癌症病例約1930萬例，死亡病例將近1000萬例，這迫使科學家和臨牀醫生需要不斷探索能夠有效治療癌症的新方法和新工具。目前，已經有科學研究表明外泌體通過裝載治療藥物，有潛力實現癌症的精準治療。但如何使外泌體裝載這些“貨物”變得更為高效、且不破壞外泌體以及藥物的功能性，發揮出1+1 ≥ 2的效果，已成為困擾科學家們的主要問題。

如何將治療“貨物”裝載到外泌體中？傳統的方法主要包括直接孵育方法或電穿孔方法，但這些方法普遍存在裝載效率過低、且極易破壞外泌體完整性和功能性等缺點，使外泌體在生物醫藥應用上面臨重大挑戰。為應對這一挑戰，中國科學院深圳先進技術研究院楊慧團隊提出一種名為“外泌體納米穿孔器 (Exosome nanoporator)”的微納流控器件。這種方法不僅可以將多種治療“貨物”裝載到外泌體中，還能獲得大量的無損傷的外泌體，成為外泌體裝載治療“貨物”的一種全新方法。最新研究成果以 A high-throughput nanofluidic device for exosome nanoporation to develop cargo delivery vehicles 為題發表在國際期刊 Small 上 (DOI: doi.org/10.1002/smll.202102150)，並被選為當期的封底文章。

圖2. 研究成果以研究論文形式發表於 Small 期刊上，該期刊在納米生物醫學領域具有重要影響力（圖片來源: Small雜誌官網）

“外泌體納米穿孔器”由於藉助了微納米流體技術，因而可在微觀（10-6米，頭髮絲直徑大約為10-4米） 或納觀（10-9米）尺度下精確控制流體以及流體中的物質，並且實現這些過程的高度可控。基於微機電系統（Micro-electro-mechanical system, MEMS）的微納製程工藝，可以製造出結構精密的納米級通道，實現30,000個模塊的並行工作，極大的提高工作效率。通過納米通道對外泌體施加機械擠壓和流體剪切的雙重作用，在外泌體的膜表面會產生短暫存在、且不破壞生物膜結構的納米孔，促進具備治療效果的“貨物”分子從周圍溶液進入外泌體，實現了無損傷的外泌體裝載功能。

阿黴素作為一類抗生素類藥物，常作為腦膠質瘤、惡性淋巴瘤、乳腺癌以及肺癌等各類癌症的治療藥物。為進一步驗證“外泌體納米穿孔器”的有效性，研究人員選取阿黴素作為驗證對象，證實了“外泌體納米穿孔器”可以將其高效裝載到外泌體中，並且含藥外泌體可以將“貨物”阿黴素有效運輸到肺癌細胞和腫瘤球中，並誘導癌細胞死亡和抑制腫瘤球生長。

圖3. “外泌體納米穿孔器”實現外泌體高效裝載治療“貨物”並殺傷腫瘤的過程圖 （圖片來源: Small雜誌官網）

苦練技術，謀福人類

“研究結果表明開發的納米流控器件確保了含藥外泌體的活性，同時架起了對抗癌細胞、腫瘤細胞等的‘直擊通道’。在不產生免疫反應的情況下釋放內含藥物，這是外泌體藥物臨牀應用的重要前提。”楊慧研究員表示。

目前，研究團隊正在力求將這一微納米流控系統進行標準化生產。楊慧介紹，未來，基於微納米流控器件技術實現外泌體載藥的新策略有望發展成為一個平台型工具，將具有生物學意義和臨牀治療作用的不同治療“貨物”裝載到外泌體中，在生物學研究和精準治療方法開發上提供新的技術支持。

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參考文獻：

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來源：中國科學院深圳先進技術研究院