中科院研发“外泌体纳米穿孔器”载药系统,可3万个模块并行工作

2013 年,诺贝尔生理学或医学奖颁发给三位发现“外泌体等细胞囊泡的运输调控机制”的科学家,诺贝尔奖委员会表示,“人体这一过程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其最重要的任务。而这些货物的 “集装箱” 就是外泌体,它作为药物的载体承担着精准 “递送” 的使命。

中科院研发“外泌体纳米穿孔器”载药系统,可3万个模块并行工作
中科院研发“外泌体纳米穿孔器”载药系统,可3万个模块并行工作

图丨Small 当期封底(来源:Small)

据报道,2020 年 6 月,国际大型制药公司礼来(Eli Lilly)、武田制药(Takeda)和拜耳(Bayer)宣布,其涉及外泌体公司的交易逾 10 亿美元。近年来,专注开发基于外泌体载体的肿瘤药物靶向治疗和基因治疗的新公司不断产生。这也从侧面证明,产业界看好外泌体发展。

但是,外泌体医药应用领域存在重大瓶颈的问题,即迫切需要可将不同外源药物成分和治疗物质装载到外泌体,且外泌体载药量能达到治疗效果的平台型技术。目前,借助生物、化学手段,在外泌体来源的供体细胞层面进行化学修饰以及物质装载的方法是开发外泌体装载技术的前序主流方案。

而使用物理或直接孵育的方法面临着应用场景限制(如不能装载蛋白质)、破坏外泌体完整性和功能性、效率低、生物活性低等问题。所以,很多方法只停留在科研实验层面,无法进一步向实际的应用推进。

中国科学院深圳先进技术研究院杨慧研究员团队一直在探索,是否有一种方案能把各种 “货物” 都装进外泌体的 “智能集装箱”,通过所开发的工具使外泌体向多种物质 “开绿灯”。

中科院研发“外泌体纳米穿孔器”载药系统,可3万个模块并行工作
中科院研发“外泌体纳米穿孔器”载药系统,可3万个模块并行工作

图丨相关论文(来源:Small)

杨慧对 DeepTech 表示,“我们设计的器件实现了 3 万个并行工作的模块,据我们所知,这是在纳米流控器件平台上,迄今为止可在一块芯片上实现的最高通道数量。”

近期,杨慧团队提出一种 “外泌体纳米穿孔器”(Exosome nanoporator)方案,借助微纳米流体技术,首次实现了外泌体药物载体的高通量制备,并实验验证了新型外泌体药物载体的抗肿瘤效果。

相关研究论文以《基于高通量纳米流体器件实现外泌体纳米穿孔及其在物质运载工具开发上的应用》(A high-throughput nanofluidic device for exosome nanoporation todevelop cargo delivery vehicles)为题发表在 Small,并被选为当期的封底文章。

3 万个工作模块并行,实现迄今纳米流控器件平台同一芯片最高通道数量

以细胞为代表的生命个体,或是小于细胞的亚细胞结构(包括外泌体)、蛋白质、核酸等物质,它们的尺度都在微米至纳米级。那么,怎样能实现对它们直接地感知、操纵、甚至改造?

这就需要开发特异的、能直接针对并直接作用于它们的 “同一尺度” 工具,这需要微米、纳米器件和系统的协调及统一。

杨慧解释道,“我们想丈量桌子需要用米尺,但如果想丈量生物分子,就必须在器件或是物理的方法上寻求相同尺度的工具。从专业角度来说,能研发和外泌体同尺度的工具,就具备了直接产生作用、改造它们的能力。”

中科院研发“外泌体纳米穿孔器”载药系统,可3万个模块并行工作
中科院研发“外泌体纳米穿孔器”载药系统,可3万个模块并行工作

图丨“外泌体纳米穿孔器” 示意图和表征(来源:Small)

杨慧表示,该方案借助微纳米流体技术,首次运用纳米级的器件结构,通过对外泌体的囊膜直接施加机械挤压力和流体侧向剪切力的“双重作用”,在外泌体的膜表面产生短暂存在、不破坏生物膜结构的纳米孔。

该方案的最大优势是,不需要引入任何会破坏外泌体或被装载物质的因素,因而可以高效地保持药物或其他生物分子的功能性。即,在不破坏这些物质本来特性的基础上,可实现高效的装载。从而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。

杨慧告诉 DeepTech,“我们的方案实现了可在微观(10-6米)或纳观(10-9米) 尺度下精确控制流体以及流体中的物质,并且可以在操控过程中实现高度可控。”

已验证对临床药物、核酸等具有装载效果,有望成为平台型工具

该方案基于微机电系统 (Micro-electro-mechanicalsystem,MEMS) 的微纳制程工艺,可制造出结构精密的微米与纳米级通道,实现 3 万个模块的并行工作。

该方案以打造针对多种来源外泌体的多功能装载平台为目标,应用方向广泛。杨慧表示,“我们已经验证了这套系统对临床药物、核酸等都有良好的装载效果,并且外泌体的来源可以是多种细胞。”

中科院研发“外泌体纳米穿孔器”载药系统,可3万个模块并行工作
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图丨杨慧在实验室(来源:受访者)

只有外泌体对多种来源的物质实现无差别的装载,才能够对外泌体的功能进行进一步深入发掘。也就是说 “集装箱” 与 “货物” 可以是多样化的,然后通过这套体系实现了它们之间的完美匹配。

此外,在载药外泌体杀伤肿瘤细胞的功能性验证上,该团队不断深入开发了多种验证方案,从细胞学研究、肿瘤球等多个模型上,反复验证和确认了该研究的有效性。

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。 该团队通过多种方案在体外构建了验证模型,以药物阿霉素作为对象,成功验证了“外泌体纳米穿孔器”的性能。

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图丨外泌体在肿瘤球中的体外渗透分析(来源:Small)

在实验中,该团队经验证发现“外泌体纳米穿孔器”可将阿霉素高效地装载到外泌体中。这些包含阿霉素的外泌体,可以将它们有效地运输到在体外培养的肺癌细胞和肿瘤球中,并且诱导癌细胞死亡和抑制肿瘤球生长。

“在不产生免疫反应的情况下释放内含药物,这恰好说明了,药物的活性与外泌体生物体活性是可以有效保持的。”杨慧说。

未来,“外泌体纳米穿孔器” 有望实现标准化生产并发展为平台型工具,将具有生物学意义和临床治疗作用的外源物质直接装载到外泌体中,为生物学和临床医学研究、疾病的早期诊断和精准治疗开辟新的机会。

杨慧表示,“下一步我们将开展活体动物验证的实验,以实现药物在体内的高效传输。我们预期,在 2 年内实现标准化生产并发展成为平台型工具。科学研究和工程转化的两条线路,我们都在快速推进。”

一路 “过关斩将”,应用于生物学和临床医学、疾病早期诊断及精准治疗等领域

该研究历时 3 年多,科研进展并非一帆风顺。在纳米流控器件的设计、器件制造、载药外泌体杀伤肿瘤细胞的功能性验证等方面,杨慧及团队一直在 “过关斩将”。

在纳米流控器件的设计上,必须考虑在实际应用场景下,对样本处理通量的要求。因此,设计上要考虑多个通道并行的方式,还要兼顾微纳制造加工的难易程度的要求。

在器件制造上,该团队不断摸索更为成熟的加工工艺。在器件的制造过程中,要结合不同的材料属性,设计不同的工艺方案;更要围绕设计思路,力争实现没有制造瑕疵的成品。这样才能进行后续的样本处理,也就是外泌体装载测试。

“目前,我们已提出了下一代的器件方案,可以在相同芯片尺寸下,将纳米通道提高到现有成果的数倍甚至更高。”杨慧说。

中科院研发“外泌体纳米穿孔器”载药系统,可3万个模块并行工作
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图丨用于制备外泌体样品的实验程序的示意图(来源:Small)

在外泌体样本的准备与处理上,杨慧团队不断克服困难,积累了丰富的外泌体样本提取、样本表征的经验。

外泌体的尺寸约为 30-200 纳米,一直以来,无论是科学研究还是产业研发,受限于外泌体本身极小的尺寸,缺乏成熟的技术方案或者科学仪器,能高效地解决样本提取和表征的困难。

“在这项工作的推进过程中,论文第一作者、博士研究生郝锐付出了非常大的努力,做了大量工作,团队成员也非常坚韧。我们一起克服诸多困难的同时,也积累了大量外泌体研究相关经验,这些都是我们之后工作中的宝贵财富。”杨慧表示。

带领多学科交叉融合背景团队,解释和解决生物学、医学领域问题

杨慧团队的研究思路来源,和团队的研究背景息息相关。该团队的研究涉及多学科的交叉融合,综合运用工程科学、物理科学、信息科学、生物科学与化学科学的新技术。因此,团队取名 Laboratory of Biomedical Microsystems and Nano Devices,简称是 BioMiND。

杨慧认为,“团队的名字非常好地形容了我们的背景,即开发微系统与纳米器件,为解释和解决生物学、医学的问题提供全新方法和工具。”

中科院研发“外泌体纳米穿孔器”载药系统,可3万个模块并行工作
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图丨杨慧(前排左二)及团队(来源:受访者)

杨慧表示,从学术层面,这项工作收获了国际学术同行的好评,它证明了微纳米尺度的物理效应能够增强对生物对象的调控作用。在器件结构匹配生物样本中带来直接处理的效果,可以启发科学家进行更多的方法探索并形成成果。

从应用层面,随着外泌体基础研究与临床应用的不断开发与深入,这项技术有非常多的应用方向。“我对这项研究的未来前景充满信心,也期待与科研同行和临床专家的更多合作,从多层面共同推进该技术的发展。”

发布者:木木夕,转转请注明出处:https://www.cells88.com/lcyj/5865.html

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