芯片上直接进行NK细胞外泌体的生物发生设备并用于杀灭肿瘤

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研究人员开发了芯片上直接进行NK细胞外泌体的生物发生设备并用于杀灭肿瘤
图：在密歇根大学开发的NK-GO微流控芯片上，两个大的NK免疫细胞被它们的小得多的外泌体所包围。

密歇根大学的研究人员工程师和肿瘤学家合作开发了一种微流控芯片，该芯片能够捕获人体的NK免疫细胞以收集能够杀死癌细胞的外泌体。

他们开发了捕获自然杀伤细胞并使它们释放外泌体的一种系统方法。这些纳米级外泌体比自然杀伤细胞（简称NK细胞）小数千倍，因此能够更好地穿透癌细胞的防御系统。

对来自五名非小细胞肺癌患者血液样本的概念验证研究表明，该方法能够在微流控芯片上捕获自然杀伤细胞，并将其用于“收割”NK外泌体。

根据《Advanced Science》上发表的发现，由U-M工程师和肿瘤学家组成的多学科团队进一步证明，外泌体可以有效杀死细胞培养物中的循环肿瘤细胞。

“外泌体是蛋白质和其他分子结合的小囊泡，几乎由体内的每种类型的细胞自然释放，”该研究的共同作者Yoon-Tae Kang博士说，“在这种情况下，我们想加深对NK外泌体的了解，并尝试利用其杀灭癌症的潜力。”

他说，与NK细胞相比，NK外泌体更稳定，更易于修饰用于治疗目的。研究指出，该系统还具有帮助诊断和监测癌症的潜力。

长期以来，NK细胞为研究人员提供了治疗癌症的可能性。与T细胞不同，NK细胞不需要通过特异的抗原引发去抵御入侵者。

“但是，基于NK细胞的疗法的一个主要瓶颈在于，将NK细胞注射入患者体内后，它们无法渗透到肿瘤的微环境中。”该研究的共同作者之一Zeqi Niu说，“ NK细胞衍生的外泌体包含相同的杀死癌细胞的因子，但它们小得多，并且能够更好地渗透到肿瘤中。”

方案和技术

该研究的通讯作者Sunitha Nagrath补充说，虽然先前的少数研究已经研究了NK外泌体杀死癌细胞的能力，但是还没有一种系统的方法来捕获患者来源的NK细胞并使用它们来生成NK外泌体。

Nagrath说：“外泌体的优势在于它们是有机的，是体内固有的。” “我们不必制造它们。该方法的优点是能够将NK细胞捕获在微流控芯片上，将它们在芯片上孵育，然后收集由细胞释放的外泌体。否则，如果直接将外泌体从血液中分离出来，难度就如图在装满东西的房间里寻找小石头一样。”

NK外泌体捕获系统结合了三种技术。首先，研究人员在开发的氧化石墨烯微流控芯片上捕获了NK细胞。然后孵育细胞，促使它们释放外泌体。外泌体被称为ExoBeads的微小磁珠捕获，这些微珠被外泌体特异性抗体包被。将珠子从芯片上除去，并用不同的方法将NK外泌体从它们中分离出来。同时，该团队使用了一种称为Labyrinth的液体活检系统，用于从患者血液样本中分离循环肿瘤细胞，以评估NK细胞与外泌体以及循环肿瘤细胞之间的相关性。

研究工作检测了来自五名肺癌患者和两个健康对照组的样本。“我们发现样品中存在的NK细胞越多，循环中的肿瘤细胞就越少，” Niu说，“我们还发现样本中的肿瘤细胞越多，NK外泌体的存在就越多——这表明癌症的存在正在刺激NK细胞产生抗癌外泌体。”

其他实验表明，源自患者样品的NK外泌体确实能够杀死细胞培养物中的循环肿瘤细胞。循环中的肿瘤细胞是已经脱离原发性肿瘤并开始进入血流的细胞。然后，这些物质可以通过肿瘤转移过程在人体其他部位播种新的癌症。

Nagrath说：“当我们刚开始这项研究时，我们不确定是否能够使用芯片和ExoBeads来生成和收获NK外泌体。” “或者，如果我们能够有效地收集它们以用于潜在的治疗用途。NK细胞捕获过程，从ExoBeads中分离NK外泌体，测定评估外泌体杀死癌细胞能力的过程。要成功使用此方法，必须对许多组件进行优化，每个组件都是一个巨大的挑战。”

研究人员指出，外泌体还具有被进一步工程化和优化以更有效地抵抗癌细胞的巨大潜力。

下一步计划​

第一作者Kang说，将需要进一步的验证和工作，才能将该技术发展为潜在的未来临床应用。

研究中的患者样本数量受到COVID-19大流行紧急情况的限制，这导致整个大学暂时关闭了实验室。研究人员计划继续使用更多的患者样本进行这项工作。他们还与合作者合作，在癌症小鼠模型中测试外泌体在体内抗肿瘤的功效。

关于使用该技术从血液中捕获免疫细胞的更多工作正在进行中，以为医生提供有关患者癌症的更多信息。这与大多数液体活检技术不同，后者专注于捕获和评估循环中的肿瘤细胞。

参考文献：On‐Chip Biogenesis of Circulating NK Cell‐Derived Exosomes in Non‐Small Cell Lung Cancer Exhibits Antitumoral Activity. Adv Sci [Epub ahead of print].

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