中科院研發“外泌體奈米穿孔器”載藥系統，可3萬個模組並行工作

2013 年，諾貝爾生理學或醫學獎頒發給三位發現“外泌體等細胞囊泡的運輸調控機制”的科學家，諾貝爾獎委員會表示，“人體這一過程猶如繁忙而巨大的港口。”

對 “港口” 來說，將貨物 “準時準點” 地運送到指定位置是其最重要的任務。而這些貨物的 “集裝箱” 就是外泌體，它作為藥物的載體承擔著精準 “遞送” 的使命。

圖丨Small 當期封底（來源：Small）

據報道，2020 年 6 月，國際大型製藥公司禮來（Eli Lilly）、武田製藥（Takeda）和拜耳（Bayer）宣佈，其涉及外泌體公司的交易逾 10 億美元。近年來，專注開發基於外泌體載體的腫瘤藥物靶向治療和基因治療的新公司不斷產生。這也從側面證明，產業界看好外泌體發展。

但是，外泌體醫藥應用領域存在重大瓶頸的問題，即迫切需要可將不同外源藥物成分和治療物質裝載到外泌體，且外泌體載藥量能達到治療效果的平臺型技術。目前，藉助生物、化學手段，在外泌體來源的供體細胞層面進行化學修飾以及物質裝載的方法是開發外泌體裝載技術的前序主流方案。

而使用物理或直接孵育的方法面臨著應用場景限制（如不能裝載蛋白質）、破壞外泌體完整性和功能性、效率低、生物活性低等問題。所以，很多方法只停留在科研實驗層面，無法進一步向實際的應用推進。

中國科學院深圳先進技術研究院楊慧研究員團隊一直在探索，是否有一種方案能把各種 “貨物” 都裝進外泌體的 “智慧集裝箱”，透過所開發的工具使外泌體向多種物質 “開綠燈”。

圖丨相關論文（來源：Small）

楊慧對 DeepTech 表示，“我們設計的器件實現了 3 萬個並行工作的模組，據我們所知，這是在奈米流控器件平臺上，迄今為止可在一塊晶片上實現的最高通道數量。”

近期，楊慧團隊提出一種 “外泌體奈米穿孔器”（Exosome nanoporator）方案，藉助微奈米流體技術，首次實現了外泌體藥物載體的高通量製備，並實驗驗證了新型外泌體藥物載體的抗腫瘤效果。

相關研究論文以《基於高通量奈米流體器件實現外泌體奈米穿孔及其在物質運載工具開發上的應用》（A high-throughput nanofluidic device for exosome nanoporation todevelop cargo delivery vehicles）為題發表在 Small，並被選為當期的封底文章。

3 萬個工作模組並行，實現迄今奈米流控器件平臺同一晶片最高通道數量

以細胞為代表的生命個體，或是小於細胞的亞細胞結構（包括外泌體）、蛋白質、核酸等物質，它們的尺度都在微米至奈米級。那麼，怎樣能實現對它們直接地感知、操縱、甚至改造？

這就需要開發特異的、能直接針對並直接作用於它們的 “同一尺度” 工具，這需要微米、奈米器件和系統的協調及統一。

楊慧解釋道，“我們想丈量桌子需要用米尺，但如果想丈量生物分子，就必須在器件或是物理的方法上尋求相同尺度的工具。從專業角度來說，能研發和外泌體同尺度的工具，就具備了直接產生作用、改造它們的能力。”

圖丨“外泌體奈米穿孔器” 示意圖和表徵（來源：Small）

楊慧表示，該方案藉助微奈米流體技術，首次運用奈米級的器件結構，透過對外泌體的囊膜直接施加機械擠壓力和流體側向剪下力的“雙重作用”，在外泌體的膜表面產生短暫存在、不破壞生物膜結構的奈米孔。

該方案的最大優勢是，不需要引入任何會破壞外泌體或被裝載物質的因素，因而可以高效地保持藥物或其他生物分子的功能性。即，在不破壞這些物質本來特性的基礎上，可實現高效的裝載。從而促進具備治療效果的 “貨物” 分子從周圍溶液進入外泌體，實現了無損傷的外泌體裝載功能。

楊慧告訴 DeepTech，“我們的方案實現了可在微觀（10-6米）或納觀（10-9米） 尺度下精確控制流體以及流體中的物質，並且可以在操控過程中實現高度可控。”

已驗證對臨床藥物、核酸等具有裝載效果，有望成為平臺型工具

該方案基於微機電系統 （Micro-electro-mechanicalsystem，MEMS） 的微納製程工藝，可製造出結構精密的微米與奈米級通道，實現 3 萬個模組的並行工作。

該方案以打造針對多種來源外泌體的多功能裝載平臺為目標，應用方向廣泛。楊慧表示，“我們已經驗證了這套系統對臨床藥物、核酸等都有良好的裝載效果，並且外泌體的來源可以是多種細胞。”

圖丨楊慧在實驗室（來源：受訪者）

只有外泌體對多種來源的物質實現無差別的裝載，才能夠對外泌體的功能進行進一步深入發掘。也就是說 “集裝箱” 與 “貨物” 可以是多樣化的，然後透過這套體系實現了它們之間的完美匹配。

此外，在載藥外泌體殺傷腫瘤細胞的功能性驗證上，該團隊不斷深入開發了多種驗證方案，從細胞學研究、腫瘤球等多個模型上，反覆驗證和確認了該研究的有效性。

阿黴素作為一類抗生素類藥物，常作為腦膠質瘤、惡性淋巴瘤、乳腺癌以及肺癌等各類癌症的治療藥物。 該團隊透過多種方案在體外構建了驗證模型，以藥物阿黴素作為物件，成功驗證了“外泌體奈米穿孔器”的效能。

圖丨外泌體在腫瘤球中的體外滲透分析（來源：Small）

在實驗中，該團隊經驗證發現“外泌體奈米穿孔器”可將阿黴素高效地裝載到外泌體中。這些包含阿黴素的外泌體，可以將它們有效地運輸到在體外培養的肺癌細胞和腫瘤球中，並且誘導癌細胞死亡和抑制腫瘤球生長。

“在不產生免疫反應的情況下釋放內含藥物，這恰好說明了，藥物的活性與外泌體生物體活性是可以有效保持的。”楊慧說。

未來，“外泌體奈米穿孔器” 有望實現標準化生產並發展為平臺型工具，將具有生物學意義和臨床治療作用的外源物質直接裝載到外泌體中，為生物學和臨床醫學研究、疾病的早期診斷和精準治療開闢新的機會。

楊慧表示，“下一步我們將開展活體動物驗證的實驗，以實現藥物在體內的高效傳輸。我們預期，在 2 年內實現標準化生產並發展成為平臺型工具。科學研究和工程轉化的兩條線路，我們都在快速推進。”

一路 “過關斬將”，應用於生物學和臨床醫學、疾病早期診斷及精準治療等領域

該研究歷時 3 年多，科研進展並非一帆風順。在奈米流控器件的設計、器件製造、載藥外泌體殺傷腫瘤細胞的功能性驗證等方面，楊慧及團隊一直在 “過關斬將”。

在奈米流控器件的設計上，必須考慮在實際應用場景下，對樣本處理通量的要求。因此，設計上要考慮多個通道並行的方式，還要兼顧微納製造加工的難易程度的要求。

在器件製造上，該團隊不斷摸索更為成熟的加工工藝。在器件的製造過程中，要結合不同的材料屬性，設計不同的工藝方案；更要圍繞設計思路，力爭實現沒有製造瑕疵的成品。這樣才能進行後續的樣本處理，也就是外泌體裝載測試。

“目前，我們已提出了下一代的器件方案，可以在相同晶片尺寸下，將奈米通道提高到現有成果的數倍甚至更高。”楊慧說。

圖丨用於製備外泌體樣品的實驗程式的示意圖（來源：Small）

在外泌體樣本的準備與處理上，楊慧團隊不斷克服困難，積累了豐富的外泌體樣本提取、樣本表徵的經驗。

外泌體的尺寸約為 30-200 奈米，一直以來，無論是科學研究還是產業研發，受限於外泌體本身極小的尺寸，缺乏成熟的技術方案或者科學儀器，能高效地解決樣本提取和表徵的困難。

“在這項工作的推進過程中，論文第一作者、博士研究生郝銳付出了非常大的努力，做了大量工作，團隊成員也非常堅韌。我們一起克服諸多困難的同時，也積累了大量外泌體研究相關經驗，這些都是我們之後工作中的寶貴財富。”楊慧表示。

帶領多學科交叉融合背景團隊，解釋和解決生物學、醫學領域問題

楊慧團隊的研究思路來源，和團隊的研究背景息息相關。該團隊的研究涉及多學科的交叉融合，綜合運用工程科學、物理科學、資訊科學、生物科學與化學科學的新技術。因此，團隊取名 Laboratory of Biomedical Microsystems and Nano Devices，簡稱是 BioMiND。

楊慧認為，“團隊的名字非常好地形容了我們的背景，即開發微系統與奈米器件，為解釋和解決生物學、醫學的問題提供全新方法和工具。”

圖丨楊慧（前排左二）及團隊（來源：受訪者）

楊慧表示，從學術層面，這項工作收穫了國際學術同行的好評，它證明了微奈米尺度的物理效應能夠增強對生物物件的調控作用。在器件結構匹配生物樣本中帶來直接處理的效果，可以啟發科學家進行更多的方法探索並形成成果。

從應用層面，隨著外泌體基礎研究與臨床應用的不斷開發與深入，這項技術有非常多的應用方向。“我對這項研究的未來前景充滿信心，也期待與科研同行和臨床專家的更多合作，從多層面共同推進該技術的發展。”