外泌体纳米穿孔器：开发智能药物递送系统的明日之星
马车、汽车、列车、飞机，一代代交通工具的变更，交织起人类社会愈发高效的运输网络。同样的，在人体内也交织着各种各样的运输网络，包括生物分子、亚细胞结构、细胞以及组织等多种运载体，承载了体内物质运输和信息传递的功能。为了进一步认识人类生理和病理活动的发生发展机理，科学家正在寻求安全、高效、智能的体外物质运载体，期待能够融入人体的运输网络，将“货物”精准有效地投放到人体的各个器官，实现疾病的有效预防和精准治疗。
“一专多能”的细胞外泌体
1983年，Johnstone在体外培养绵羊网织红细胞时发现一种名为外泌体的生物膜囊泡，形状呈球形或圆盘形，直径大约为30 ~ 200纳米。这些小囊泡可以由绝大多数各个种类的细胞分泌而来，而且还广泛存在于血液、尿液和脑脊液等人体体液中，甚至是葡萄和西柚等水果中。从那以后，科学家们知道外泌体是细胞内物质的载体，能够把诸如核酸、蛋白质等物质包裹、装载进去。
但在相当长的一段时间里，外泌体仅被认为是体内细胞的“清洁工人”，只负责清理细胞内部的代谢产物。但随着研究的逐渐深入，科学家们惊喜的发现外泌体还承担了“快递员”的工作，负责转移和运输细胞内源性货物，实现细胞之间的相互通讯。这就好像是，两个细胞分别住在深圳和广州，不能互相喊话，只能通过“外泌体快递”来运输货物并传递消息。
在细胞的工作场景中，细胞内的大多数分子，比如蛋白质，和细胞膜上的磷脂分子相比都很大，以致于无法直接穿过细胞的膜结构去完成自己的使命。所以，当细胞需要时时刻刻进行细胞间的能量转换、信息识别与传递、物质运送等基本生命过程时，这些过程就依赖于一个复杂而又被精确调控的“物流运输系统”。2013年，诺贝尔生理学或医学奖颁发给发现“外泌体等细胞囊泡的运输调控机制”的三位科学家，诺贝尔奖委员会将这一过程比喻为：人体犹如繁忙而巨大的"港口"。对"港口"来说，将货物准时准点地运送到指定位置，是最为要紧的。而这些货物的集装箱，就是外泌体。
近几年来，外泌体由于具有生物相容性好、体内渗透性高，免疫原性和免疫清除率低等特性，因而被研究人员视为人体内重要的“医生”，在药物递送领域展现了巨大的应用潜力，并且有望成为下一代革命性药物载体。外泌体的这些超能力，使得它们在疾病的早期诊断和精准治疗方面收获了大量关注和研发投入。
图1. 外泌体——工作中的“多面手”
如何让外泌体成为一名合格的“医生”？
根据国际癌症研究机构 （IARC） 发布的2020年全球最新癌症负担数据，预估了全球185个国家和地区38种癌症类型的最新发病率、死亡率情况。这项最新数据显示，2020年全球新发癌症病例约1930万例，死亡病例将近1000万例，这迫使科学家和临床医生需要不断探索能够有效治疗癌症的新方法和新工具。目前，已经有科学研究表明外泌体通过装载治疗药物，有潜力实现癌症的精准治疗。但如何使外泌体装载这些“货物”变得更为高效、且不破坏外泌体以及药物的功能性，发挥出1+1 ≥ 2的效果，已成为困扰科学家们的主要问题。
如何将治疗“货物”装载到外泌体中？传统的方法主要包括直接孵育方法或电穿孔方法，但这些方法普遍存在装载效率过低、且极易破坏外泌体完整性和功能性等缺点，使外泌体在生物医药应用上面临重大挑战。为应对这一挑战，中国科学院深圳先进技术研究院杨慧团队提出一种名为“外泌体纳米穿孔器 (Exosome nanoporator)”的微纳流控器件。这种方法不仅可以将多种治疗“货物”装载到外泌体中，还能获得大量的无损伤的外泌体，成为外泌体装载治疗“货物”的一种全新方法。最新研究成果以 A high-throughput nanofluidic device for exosome nanoporation to develop cargo delivery vehicles 为题发表在国际期刊 Small 上 (DOI: doi.org/10.1002/smll.202102150)，并被选为当期的封底文章。
图2. 研究成果以研究论文形式发表于 Small 期刊上，该期刊在纳米生物医学领域具有重要影响力（图片来源: Small杂志官网）
“外泌体纳米穿孔器”由于借助了微纳米流体技术，因而可在微观（10-6米，头发丝直径大约为10-4米） 或纳观（10-9米）尺度下精确控制流体以及流体中的物质，并且实现这些过程的高度可控。基于微机电系统（Micro-electro-mechanical system, MEMS）的微纳制程工艺，可以制造出结构精密的纳米级通道，实现30,000个模块的并行工作，极大的提高工作效率。通过纳米通道对外泌体施加机械挤压和流体剪切的双重作用，在外泌体的膜表面会产生短暂存在、且不破坏生物膜结构的纳米孔，促进具备治疗效果的“货物”分子从周围溶液进入外泌体，实现了无损伤的外泌体装载功能。
阿霉素作为一类抗生素类药物，常作为脑胶质瘤、恶性淋巴瘤、乳腺癌以及肺癌等各类癌症的治疗药物。为进一步验证“外泌体纳米穿孔器”的有效性，研究人员选取阿霉素作为验证对象，证实了“外泌体纳米穿孔器”可以将其高效装载到外泌体中，并且含药外泌体可以将“货物”阿霉素有效运输到肺癌细胞和肿瘤球中，并诱导癌细胞死亡和抑制肿瘤球生长。
图3. “外泌体纳米穿孔器”实现外泌体高效装载治疗“货物”并杀伤肿瘤的过程图 （图片来源: Small杂志官网）
苦练技术，谋福人类
“研究结果表明开发的纳米流控器件确保了含药外泌体的活性，同时架起了对抗癌细胞、肿瘤细胞等的'直击通道’。在不产生免疫反应的情况下释放内含药物，这是外泌体药物临床应用的重要前提。”杨慧研究员表示。
目前，研究团队正在力求将这一微纳米流控系统进行标准化生产。杨慧介绍，未来，基于微纳米流控器件技术实现外泌体载药的新策略有望发展成为一个平台型工具，将具有生物学意义和临床治疗作用的不同治疗“货物”装载到外泌体中，在生物学研究和精准治疗方法开发上提供新的技术支持。
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来源：中国科学院深圳先进技术研究院