纳米流控芯片技术：制备新型外泌体药物载体的新工具

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纳米流控芯片技术：制备新型外泌体药物载体的新工具

近日，中国科学院深圳先进技术研究院杨慧研究员团队研发了一种纳米流控芯片技术，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。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Wiley旗下知名期刊《Small》上 (DOI: doi.org/10.1002/smll.202102150)，并被选为当期的封底文章 (Back cover)。

图1. 研究成果发于纳米生物医学领域顶级期刊《Small》上 (图片来源: Small杂志网站)

图2. 基于高通量的“外泌体纳米穿孔器”实现外泌体装载治疗“货物”并杀伤肿瘤的过程图 (图片来源: Small杂志网站)

外泌体是几乎所有细胞类型都能分泌到细胞外环境或体液中的多样化膜性囊泡，直径大约为30 ~ 200纳米，其作为一种天然的细胞间物质载体，通过生物分子的转移和传递来实现细胞间的通讯。由于外泌体具有生物相容性好、体内渗透性高、免疫原性和清除率低等生物特性，在智能药物递送领域具有巨大应用潜力，并且有望成为下一代革命性药物载体。

然而，传统方法将外源物质装载到外泌体中，例如电穿孔方法，一直以来存在装载效率过低、且极易破坏外泌体的完整性和功能性，使得外泌体在生物医药应用上面临重大挑战。为应对这一挑战，杨慧团队提出一种名为“外泌体纳米穿孔器 (Exosome nanoporator)”的高通量芯片，能无损伤且高通量装载外源物质，堪称物理处理方法中的一匹黑马。

“外泌体纳米穿孔器”借助纳米流体芯片技术可在微观或纳观尺度精确控制流体的特点，实现外泌体药物载体制备条件的高度可控。基于MEMS微纳制程工艺，制造结构精密的纳米级通道，实现30,000个模块并行工作，可极大的提高制备效率。通过机械挤压和流体剪切的双重作用，在外泌体膜表面产生短暂存在、且不破坏生物膜结构的纳米孔，促进外源物质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。

图3. 基于外泌体纳米穿孔器实现外泌体装载外源物质的示意图 (图片来源: Small杂志网站)

研究选取临床批准的抗肿瘤药物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，并且载药外泌体可以将阿霉素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。研究结果表明开发的纳流控芯片确保了含药外泌体的活性，且可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。

图4. 外泌体纳米穿孔器的抗肿瘤应用，(A) 为载药外泌体对肺癌细胞的杀伤作用，(B) 为载药外泌体对肺癌细胞迁移的抑制作用，(C) 为载药外泌体对肿瘤球生长的抑制效果 (图片来源: Small杂志网站)

研究团队正在力求将这一纳米流控系统进行标准化生产。未来，基于纳米流控芯片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外源物质装载到外泌体中，为生物学研究和无细胞治疗方法开发提供新的方法。

中国科学院深圳先进技术研究院客座博士生郝锐为该论文的第一作者，杨慧研究员为通讯作者。相关工作得到了国家自然科学基金项目、广东省重点领域研发计划、深圳市科技创新委员会的支持。