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馬車(chē)、汽車(chē)、列車(chē)、飛機，一代代交通工具的變更，交織起人類(lèi)社會(huì )愈發(fā)高效的運輸網(wǎng)絡(luò )。同樣的，在人體內也交織著(zhù)各種各樣的運輸網(wǎng)絡(luò )，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(zhì)運輸和信息傳遞的功能。為了進(jìn)一步認識人類(lèi)生理和病理活動(dòng)的發(fā)生發(fā)展機理，科學(xué)家正在尋求安全、高效、智能的體外物質(zhì)運載體，期待能夠融入人體的運輸網(wǎng)絡(luò )，將“貨物”精準有效地投放到人體的各個(gè)器官，實(shí)現疾病的有效預防和精準治療。
“一專(zhuān)多能”的細胞外泌體
1983年，Johnstone在體外培養綿羊網(wǎng)織紅細胞時(shí)發(fā)現一種名為外泌體的生物膜囊泡，形狀呈球形或圓盤(pán)形，直徑大約為30 ~ 200納米。這些小囊泡可以由絕大多數各個(gè)種類(lèi)的細胞分泌而來(lái)，而且還廣泛存在于血液、尿液和腦脊液等人體體液中，甚至是葡萄和西柚等水果中。從那以后，科學(xué)家們知道外泌體是細胞內物質(zhì)的載體，能夠把諸如核酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)包裹、裝載進(jìn)去。
但在相當長(cháng)的一段時(shí)間里，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(chǎn)物。但隨著(zhù)研究的逐漸深入，科學(xué)家們驚喜的發(fā)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(shí)現細胞之間的相互通訊。這就好像是，兩個(gè)細胞分別住在深圳和廣州，不能互相喊話(huà)，只能通過(guò)“外泌體快遞”來(lái)運輸貨物并傳遞消息。
在細胞的工作場(chǎng)景中，細胞內的大多數分子，比如蛋白質(zhì)，和細胞膜上的磷脂分子相比都很大，以致于無(wú)法直接穿過(guò)細胞的膜結構去完成自己的使命。所以，當細胞需要時(shí)時(shí)刻刻進(jìn)行細胞間的能量轉換、信息識別與傳遞、物質(zhì)運送等基本生命過(guò)程時(shí)，這些過(guò)程就依賴(lài)于一個(gè)復雜而又被精確調控的“物流運輸系統”。2013年，諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎頒發(fā)給發(fā)現“外泌體等細胞囊泡的運輸調控機制”的三位科學(xué)家，諾貝爾獎委員會(huì )將這一過(guò)程比喻為：人體猶如繁忙而巨大的"港口"。對"港口"來(lái)說(shuō)，將貨物準時(shí)準點(diǎn)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(lái)，外泌體由于具有生物相容性好、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(lǐng)域展現了巨大的應用潛力，并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獲了大量關(guān)注和研發(fā)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”？
根據國際癌癥研究機構 （IARC） 發(fā)布的2020年全球最新癌癥負擔數據，預估了全球185個(gè)國家和地區38種癌癥類(lèi)型的最新發(fā)病率、死亡率情況。這項最新數據顯示，2020年全球新發(fā)癌癥病例約1930萬(wàn)例，死亡病例將近1000萬(wàn)例，這迫使科學(xué)家和臨床醫生需要不斷探索能夠有效治療癌癥的新方法和新工具。目前，已經(jīng)有科學(xué)研究表明外泌體通過(guò)裝載治療藥物，有潛力實(shí)現癌癥的精準治療。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(fā)揮出1+1 ≥ 2的效果，已成為困擾科學(xué)家們的主要問(wèn)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(guò)低、且極易破壞外泌體完整性和功能性等缺點(diǎn)，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(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)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(wú)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(fā)表在國際期刊 Small 上 (DOI: doi.org/10.1002/smll.202102150)，并被選為當期的封底文章。
圖2. 研究成果以研究論文形式發(fā)表于 Small 期刊上，該期刊在納米生物醫學(xué)領(lǐng)域具有重要影響力（圖片來(lái)源: Small雜志官網(wǎng)）
“外泌體納米穿孔器”由于借助了微納米流體技術(shù)，因而可在微觀(guān)（10-6米，頭發(fā)絲直徑大約為10-4米） 或納觀(guān)（10-9米）尺度下精確控制流體以及流體中的物質(zhì)，并且實(shí)現這些過(guò)程的高度可控?；谖C電系統（Micro-electro-mechanical system, MEMS）的微納制程工藝，可以制造出結構精密的納米級通道，實(shí)現30,000個(gè)模塊的并行工作，極大的提高工作效率。通過(guò)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(huì )產(chǎn)生短暫存在、且不破壞生物膜結構的納米孔，促進(jìn)具備治療效果的“貨物”分子從周?chē)芤哼M(jìn)入外泌體，實(shí)現了無(wú)損傷的外泌體裝載功能。
阿霉素作為一類(lèi)抗生素類(lèi)藥物，常作為腦膠質(zhì)瘤、惡性淋巴瘤、乳腺癌以及肺癌等各類(lèi)癌癥的治療藥物。為進(jìn)一步驗證“外泌體納米穿孔器”的有效性，研究人員選取阿霉素作為驗證對象，證實(shí)了“外泌體納米穿孔器”可以將其高效裝載到外泌體中，并且含藥外泌體可以將“貨物”阿霉素有效運輸到肺癌細胞和腫瘤球中，并誘導癌細胞死亡和抑制腫瘤球生長(cháng)。
圖3. “外泌體納米穿孔器”實(shí)現外泌體高效裝載治療“貨物”并殺傷腫瘤的過(guò)程圖 （圖片來(lái)源: Small雜志官網(wǎng)）
苦練技術(shù)，謀福人類(lèi)
“研究結果表明開(kāi)發(fā)的納米流控器件確保了含藥外泌體的活性，同時(shí)架起了對抗癌細胞、腫瘤細胞等的'直擊通道’。在不產(chǎn)生免疫反應的情況下釋放內含藥物，這是外泌體藥物臨床應用的重要前提?！睏罨垩芯繂T表示。
目前，研究團隊正在力求將這一微納米流控系統進(jìn)行標準化生產(chǎn)。楊慧介紹，未來(lái)，基于微納米流控器件技術(shù)實(shí)現外泌體載藥的新策略有望發(fā)展成為一個(gè)平臺型工具，將具有生物學(xué)意義和臨床治療作用的不同治療“貨物”裝載到外泌體中，在生物學(xué)研究和精準治療方法開(kāi)發(fā)上提供新的技術(shù)支持。
參考文獻：
1. B. T. Pan, R. M. Johnstone. Fate of the transferrin receptor during maturation of sheep reticulocytes in vitro: Selective externalization of the receptor. Cell 1983, 33, 967-977.
2. I. K. Herrmann, M. J. A. Wood, G. Fuhrmann. Extracellular vesicles as a next-generation drug delivery platform. Nat. Nanotechnol. 2021, 16, 748-759.
3. J. Ferlay, M. Colombet, I. Soerjomataram, D. M. Parkin, M. Pi?eros, A. Znaor, F. Bray. Cancer statistics for the year 2020: An overview. Int. J. Cancer. 2021, 149, 778-789.
4. X. Luan, K. Sansanaphongpricha, I. Myers, H. Chen, H. Yuan, D. Sun. Engineering exosomes as refined biological nanoplatforms for drug delivery. Acta Pharmacol. Sin. 2017, 38, 754-763.
來(lái)源：中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院
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