华中科技大学刘笔锋教授：经双配体化学编辑的外泌体在微流控纯化后可有效靶向递送药物至肿瘤细胞

作为脂质膜结合的纳米囊泡（直径为50-150 nm），外泌体具有非侵入性分子诊断的巨大潜力，并且代表了一种新颖的治疗递送系统，但受限于较差的靶向能力和缺乏有效的分离技术。华中科技大学刘笔锋教授团队设计了一种三维纳米结构微流体芯片，其中微柱阵列通过化学沉积用交叉多壁碳纳米管功能化，通过特定识别分子（CD63）和独特拓扑纳米材料可高效捕获外泌体。研究证明这种纳米结构界面大大提高了外泌体的免疫捕获效率。可纯化高百分比的完整小泡（<150 nm）。作为进一步的应用，通过化学编辑方法添加了靶向药物递送功能。在磷脂膜中用双重配体（生物素和抗生物素蛋白）标记供体细胞，并将药物包封在细胞溶胶中。当工程供体细胞分泌外泌体，双配体与药物一起被包裹在外泌体中，然后用微流控芯片分离。然后，将分离的外泌体用作药物递送载体，并且当暴露于体外和体内的受体细胞时，对肿瘤细胞显示出强的靶向能力和高效的受体介导的细胞摄取。因此，化疗药物的抗癌作用明显改善。这表明该平台可以提供高效分离完整外泌体的有用工具，利用其天然载体功能，以更高的功效和靶向能力将化疗药物递送到肿瘤细胞。

方案：从工程化供体细胞分泌的外泌体的微流体芯片分离示意图并应用于主动靶向药物递送。步骤1：供体细胞用细胞膜上的靶配体（生物素）标记，用抗肿瘤药物封装以进行治疗，并进一步用另一种配体（抗生物素蛋白）功能化，以提高靶向效率。当供体细胞分泌外泌体时，两个配体和药物将被外泌体包装以形成化学编辑的外泌体。步骤2：供体细胞培养基经过具有MWCNTs纳米结构界面和免疫亲和固定的微流控芯片，用于高效分离和收集外泌体。步骤3：将分离的外泌体用于靶向药物递送并导致肿瘤细胞凋亡。

总之，外泌体可利用基于细胞的药物输送和纳米技术有效运输药物的益处，并且能够克服各种生物屏障。然而，在将其用于临床治疗之前，应该解决一些局限性，包括有效富集外泌体而不明显破坏用于靶向药物递送的外泌体的结构和内含物的方法不足。该研究展示了一种新颖的3D微流体装置，其功能化为MWCNTs纳米结构界面，可以高效地分离出完整的外泌体用于药物递送。该研究进一步证明了用双重配体（生物素和抗生物素蛋白）修饰的肿瘤细胞外泌体的生物友好的（bio-friendly）方法。根据受体介导的内吞作用的机制，这种外泌体递送系统改善了双重配体靶向的抗癌作用和靶向能力。这项工作是分离完整和高纯度外泌体用于药物输送的杰出平台，并增加了开发具有增加功效和靶向能力的新的“生物技术药物”的替代产品。

参考文献：

Wang J, Li W, Zhang L, Ban L, Chen P, Du W, Feng X, Liu BF. Chemically edited exosomes with dual ligand purified by microfluidic device for active targeted drug delivery to tumor cells. ACS Appl Mater Interfaces. 2017 Aug 1. doi: 10.1021/acsami.7b06464. [Epub ahead of print]  IF=7.504