Advanced Science：肿瘤小细胞外囊泡的定量纳米力学分析

Johnny

Advanced Science：肿瘤小细胞外囊泡的定量纳米力学分析

肿瘤衍生的小细胞外囊泡 (sEV) 的纳米力学特性对癌症进展至关重要。近日，国家纳米科学中心杨延莲研究员、王琛研究员、朱凌研究员和第一作者叶思源博士合作在Advanced Science杂志上发表文章，在原子力显微镜 (AFM) 上利用纳米压痕在单囊泡水平上定量研究人乳腺癌细胞衍生的sEVs的纳米力学特性，并探索它们与肿瘤恶性程度和囊泡大小的关系。结果发现，sEVs的刚度是由sEVs的弯曲模量和渗透压共同作用的结果。刚度和渗透压随着sEV恶性程度的增加而增加，并随着sEV尺寸的增加而降低。弯曲模量随着sEV恶性程度的增加而降低，并且在较小的sEV中较低。这项研究建立了sEV的纳米力学特征与肿瘤恶性肿瘤之间的关系，为更好地理解癌症力学生物学增加了信息。
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癌症力学生物学在肿瘤进展和转移中起着重要作用。细胞响应环境中的动态机械力不断调整其行为以维持组织的生理稳态。响应于恶性转化过程中破坏稳态的机械刺激，细胞的纳米力学特性发生了变化，从而调节了基本的细胞行为和微环境，最终导致肿瘤侵袭和转移。肿瘤的纳米力学特征已成为肿瘤发生和进展的诊断标志物。小细胞外囊泡 (sEVs) 是几乎所有细胞释放的内体衍生的膜囊泡，在各种体液中含量丰富。由于它们携带质膜和细胞内内容物，例如来自源细胞的细胞质蛋白和核酸，它们的纳米力学特性代表了源细胞的纳米力学特性。因此，它们可以作为研究肿瘤纳米机制的理想模型。sEVs作为载体将蛋白质、核酸和脂质运输到受体细胞。sEVs的纳米力学特性决定了它们在细胞内通讯、扩散和细胞外基质 (ECM) 中的运输以及循环过程中对血液流变学的反应等基本过程中的行为，最终决定了肿瘤的侵袭和转移。在肿瘤来源的sEVs的纳米力学特征之间建立全面的交流有助于阐明sEVs在肿瘤进展和转移中的作用，从而促进癌症诊断标志物的开发。此外，由于sEV具有高生物相容性、低免疫原性和穿越生物屏障的能力，它们作为药物输送载体受到越来越多的关注。sEV的纳米力学表征为优化工程化sEV以提高药物递送效率提供了重要信息。然而，sEV的纳米机构表征一直很少。最近的几项研究通过测量代表sEVs刚度的杨氏模量来估计肿瘤衍生sEVs的刚度，将sEVs作为整体弹性球形模型。

最近，一些研究表明小囊泡的刚度导致来自纳米力学特性（例如，弯曲模量和渗透压）的综合贡献，不能单独通过杨氏模量区分。肿瘤衍生sEVs的个体纳米力学特性与恶性转化之间的关系在很大程度上是未知的。原子力显微镜(AFM) 以其高空间分辨率而闻名，并已被用于表征单个EV的动力学及其与生物分子的相互作用。AFM上的纳米压痕记录了单个sEV在局部点的纳米力学响应，从中可以从力压痕曲线 (FICs) 中定量提取单个纳米力学因素。尖端纳米压痕过程中sEVs的纳米力学行为反映了sEVs在生理和病理状态下对纳米机械刺激的反应环境。

sEV的纳米力学行为

该研究通过AFM上的纳米压痕在单个囊泡水平上定量表征乳腺癌衍生的sEVs的纳米力学特征，并探讨它们与肿瘤恶性的相关性。还比较了不同大小的sEV亚群，因为已知sEV的异质大小与不同的分子组成和纳米力学特性有关，这些特性决定了sEV亚群作为诊断标志物的重要性。证明了sEV的刚度由sEV的弯曲模量和渗透压的综合贡献决定。弯曲模量随着sEV恶性程度的增加而降低，并且在具有较小尺寸的sEV中较低，而刚度和渗透压随着sEV恶性程度的增加而增加，并随着sEV尺寸的增加而降低。这些结果阐明了sEV力学生物学在肿瘤进展和转移中的作用，显示了sEV纳米力学特性在评估肿瘤恶性程度方面的潜力。


ROC分析显示了sEV的弯曲模量、渗透压和刚度在区分恶性和正常sEV方面的区分功效

参考文献：YeS, Li W, Wang H, Zhu L, Wang C, Yang Y. Quantitative Nanomechanical Analysisof Small Extracellular Vesicles for Tumor Malignancy Indication. AdvSci (Weinh). 2021 Aug 2:e2100825. PMID: 34338437.
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