广州医科大学：单细胞水平上实现外泌体摄取的高通量定量

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广州医科大学：通过质谱流式细胞术在单细胞水平上实现外泌体摄取的高通量定量



外泌体正被广泛研究作为细胞间通讯工具和多功能药物载体，其生物分布特征对于评估其生物学功能和药物传递功效至关重要。但是，目前用于外泌体追踪的技术依赖于荧光，受限于有限的通道数量和光谱溢出的缺点。来自广州医科大学基础医学院刘金保课题组、附属口腔医院周苗课题组的研究人员报道了一种工程化的方法，将含金属同位素的嵌入剂装载到外泌体中，在单细胞水平量化的外泌体摄取，并验证了这些外泌体的抗癌功效。该研究论文发表于Biomaterials杂志上。




外泌体来自晚期胞内体，是一种纳米级（直径30-150 nm）的膜状囊泡，几乎所有类型的细胞都会不断释放这种囊泡。这些囊泡通过将功能性货物转移到其他细胞或部位里，在生理和病理条件下作为长距离和短距离细胞间通信的介质。外泌体与免疫反应、抗原呈递、细胞分化、血管生成以及肿瘤细胞的迁移、存活和侵袭密切相关。此外，由于这些囊泡具有一些显著特征，包括纳米级大小、出色的生物相容性、低细胞毒性、免疫原性、穿越生物屏障的能力以及高载货能力，外泌体可成为有前途且用途广泛的药物载体。外泌体已被设计为递送小分子药物和具有生物功能的大分子，以治疗许多流行疾病，例如癌症和中枢神经系统疾病。尽管越来越多的研究揭示了外泌体在生理或病理条件下的多种功能，并引入了基于外泌体的纳米载体，在小动物模型中开发新型治疗疾病的疗法，但这些研究中的大多数都只探索了外泌体在组织或组织器官中的生物分布。迄今为止，还没有在体内对单细胞水平的外泌体内化进行全面的定量分析，这对于鉴定外泌体的靶细胞、命运和生理功能至关重要。

在此之前，许多研究人员仅检测了给药后组织中纳米载体的总积累，包括合成纳米颗粒和生物囊泡。但是这些数据不能揭示在吸收这些纳米载体的具体个别细胞中的特定积累，这是因为每个组织都是异质性的，并且由多种细胞类型组成。迄今为止，由于缺乏高通量定量方法，很少有研究在单细胞水平上追踪纳米颗粒的内化。传统的单细胞示踪方法（例如流式细胞术和共聚焦显微镜）依赖于荧光标签，并受到可用通道数量和光谱溢出的限制，从而导致单细胞定量分析的效率低下。为了克服这些局限性，此前有科学家已经开发了一种前沿的单细胞分析方法，即质谱流式分析，将质谱与流式细胞术相结合。在这种方法中，首先用金属同位素标记的抗体或探针标记细胞，然后进行离子化，然后根据飞行时间通过等离子体质谱法区分单个细胞上的金属同位素。最新的质谱分析技术可以在数千到数百万个单个细胞中同时测量多达50种金属同位素标记（75–209 amu），而无需或只需很少的补偿调节。这种高度多参数的检测结合高度多变量的细胞表型，已首次用于检测单个细胞中的金纳米颗粒。此外，细胞计数法为无机颗粒的高通量跟踪提供了一种快速、准确和高度灵敏的筛选方法。质谱分析技术克服了基于荧光的分析中自发荧光的挑战，并能够对包含重金属的纳米材料的体内命运进行高通量定量。作为广泛研究的纳米载体，在单细胞水平上跟踪外泌体将大大改善我们对这些囊泡的体内命运和功能的了解，并有助于改进基于外泌体的新诊断方法和治疗方法。但是，尚未建立和证明在单细胞水平上高通量的外泌体摄取。

在这项研究里，研究人员开发了一种使用大规模流式细胞术追踪外泌体的细胞分布的有效方法，并且首次通过高度多变量细胞表型串联装载重金属试剂，成功地定量了单细胞水平体内外泌体的命运。使用电穿孔技术，研究人员将包含质谱流式细胞术可检测到的同位素探针离子的核酸嵌入剂装载到外泌体中，并检测了质谱流式细胞筛选吸收这些外泌体的单个细胞中这些离子的能力。在外泌体的细胞分布的启发下，研究人员优化了基于外泌体的药物递送的给药方法，确定瘤内注射是基于外泌体的药物输送的最佳给药方法，并证明了带有重金属离子的化疗药物的外泌体在乳腺癌小鼠模型的抗肿瘤功效。这项研究在单细胞水平上评估了外泌体的命运，为体内的外泌体功能提供了有价值的见解，并促进了基于外泌体的治疗方法的改进。

图：在单细胞水平上进行的外泌体摄取分析


参考文献：Wang J, Tu C, Zhang H, et al. Loadingof metal isotope-containing intercalators for mass cytometry-based high-throughputquantitation of exosome uptake at the single-cell level. Biomaterials. 2020; 255:120152.