中科院團(tuán)隊研發(fā)“外泌體納米穿孔器”載****系統(tǒng)，3萬個模塊并行工作，為目前單芯片最高通道數(shù)量丨專訪

2013 年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒發(fā)給三位發(fā)現(xiàn)“外泌體等細(xì)胞囊泡的運(yùn)輸調(diào)控機(jī)制”的科學(xué)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?！?/span>

對 "港口" 來說，將貨物 “準(zhǔn)時準(zhǔn)點(diǎn)” 地運(yùn)送到指定位置是其最重要的任務(wù)。而這些貨物的 “集裝箱” 就是外泌體，它作為****物的載體承擔(dān)著精準(zhǔn) “遞送” 的使命。

據(jù)報道，2020 年 6 月，國際大型制****公司禮來（Eli Lilly）、武田制****（Takeda）和拜耳（Bayer）宣布，其涉及外泌體公司的交易逾 10 億美元。近年來，專注開發(fā)基于外泌體載體的腫瘤****物靶向治療和基因治療的新公司不斷產(chǎn)生。這也從側(cè)面證明，產(chǎn)業(yè)界看好外泌體發(fā)展。

但是，外泌體醫(yī)****應(yīng)用領(lǐng)域存在重大瓶頸的問題，即迫切需要可將不同外源****物成分和治療物質(zhì)裝載到外泌體，且外泌體載****量能達(dá)到治療效果的平臺型技術(shù)。目前，借助生物、化學(xué)手段，在外泌體來源的供體細(xì)胞層面進(jìn)行化學(xué)修飾以及物質(zhì)裝載的方法是開發(fā)外泌體裝載技術(shù)的前序主流方案。

而使用物理或直接孵育的方法面臨著應(yīng)用場景限制（如不能裝載蛋白質(zhì)）、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(jìn)一步向?qū)嶋H的應(yīng)用推進(jìn)。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院楊慧研究員團(tuán)隊一直在探索，是否有一種方案能把各種 “貨物” 都裝進(jìn)外泌體的 “智能集裝箱”，通過所開發(fā)的工具使外泌體向多種物質(zhì) “開綠燈”。

楊慧對 DeepTech 表示，“我們設(shè)計的器件實現(xiàn)了 3 萬個并行工作的模塊，據(jù)我們所知，這是在納米流控器件平臺上，迄今為止可在一塊芯片上實現(xiàn)的最高通道數(shù)量。”

近期，楊慧團(tuán)隊提出一種 “外泌體納米穿孔器”（Exosome nanoporator）方案，借助微納米流體技術(shù)，首次實現(xiàn)了外泌體****物載體的高通量制備，并實驗驗證了新型外泌體****物載體的抗腫瘤效果。

相關(guān)研究論文以《基于高通量納米流體器件實現(xiàn)外泌體納米穿孔及其在物質(zhì)運(yùn)載工具開發(fā)上的應(yīng)用》（A high-throughput nanofluidic device for exosome nanoporation todevelop cargo delivery vehicles）為題發(fā)表在 Small，并被選為當(dāng)期的封底文章。

以細(xì)胞為代表的生命個體，或是小于細(xì)胞的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)（包括外泌體）、蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)，它們的尺度都在微米至納米級。那么，怎樣能實現(xiàn)對它們直接地感知、操縱、甚至改造？

這就需要開發(fā)特異的、能直接針對并直接作用于它們的 “同一尺度” 工具，這需要微米、納米器件和系統(tǒng)的協(xié)調(diào)及統(tǒng)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(yè)角度來說，能研發(fā)和外泌體同尺度的工具，就具備了直接產(chǎn)生作用、改造它們的能力。

楊慧表示，該方案借助微納米流體技術(shù)，首次運(yùn)用納米級的器件結(jié)構(gòu)，通過對外泌體的囊膜直接施加機(jī)械擠壓力和流體側(cè)向剪切力的“雙重作用”，在外泌體的膜表面產(chǎn)生短暫存在、不破壞生物膜結(jié)構(gòu)的納米孔。

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

楊慧告訴 DeepTech，“我們的方案實現(xiàn)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(zhì)，并且可以在操控過程中實現(xiàn)高度可控?！?/span>

該方案基于微機(jī)電系統(tǒng) (Micro-electro-mechanicalsystem，MEMS) 的微納制程工藝，可制造出結(jié)構(gòu)精密的微米與納米級通道，實現(xiàn) 3 萬個模塊的并行工作。

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(biāo)，應(yīng)用方向廣泛。楊慧表示，“我們已經(jīng)驗證了這套系統(tǒng)對臨床****物、核酸等都有良好的裝載效果，并且外泌體的來源可以是多種細(xì)胞?！?/span>

只有外泌體對多種來源的物質(zhì)實現(xiàn)無差別的裝載，才能夠?qū)ν饷隗w的功能進(jìn)行進(jìn)一步深入發(fā)掘。也就是說 “集裝箱” 與 “貨物” 可以是多樣化的，然后通過這套體系實現(xiàn)了它們之間的完美匹配。

此外，在載****外泌體殺傷腫瘤細(xì)胞的功能性驗證上，該團(tuán)隊不斷深入開發(fā)了多種驗證方案，從細(xì)胞學(xué)研究、腫瘤球等多個模型上，反復(fù)驗證和確認(rèn)了該研究的有效性。

阿霉素作為一類抗生素類****物，常作為腦膠質(zhì)瘤、惡性淋巴瘤、乳腺癌以及肺癌等各類癌癥的治療****物。 該團(tuán)隊通過多種方案在體外構(gòu)建了驗證模型，以****物阿霉素作為對象，成功驗證了“外泌體納米穿孔器”的性能。

在實驗中，該團(tuán)隊經(jīng)驗證發(fā)現(xiàn)“外泌體納米穿孔器”可將阿霉素高效地裝載到外泌體中。這些包含阿霉素的外泌體，可以將它們有效地運(yùn)輸?shù)皆隗w外培養(yǎng)的肺癌細(xì)胞和腫瘤球中，并且誘導(dǎo)癌細(xì)胞死亡和抑制腫瘤球生長。

“在不產(chǎn)生免疫反應(yīng)的情況下釋放內(nèi)含****物，這恰好說明了，****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，“外泌體納米穿孔器” 有望實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)并發(fā)展為平臺型工具，將具有生物學(xué)意義和臨床治療作用的外源物質(zhì)直接裝載到外泌體中，為生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)研究、疾病的早期診斷和精準(zhǔn)治療開辟新的機(jī)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(xiàn)****物在體內(nèi)的高效傳輸。我們預(yù)期，在 2 年內(nèi)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)并發(fā)展成為平臺型工具。科學(xué)研究和工程轉(zhuǎn)化的兩條線路，我們都在快速推進(jìn)。”

該研究歷時 3 年多，科研進(jìn)展并非一帆風(fēng)順。在納米流控器件的設(shè)計、器件制造、載****外泌體殺傷腫瘤細(xì)胞的功能性驗證等方面，楊慧及團(tuán)隊一直在 “過關(guān)斬將”。

在納米流控器件的設(shè)計上，必須考慮在實際應(yīng)用場景下，對樣本處理通量的要求。因此，設(shè)計上要考慮多個通道并行的方式，還要兼顧微納制造加工的難易程度的要求。

在器件制造上，該團(tuán)隊不斷摸索更為成熟的加工工藝。在器件的制造過程中，要結(jié)合不同的材料屬性，設(shè)計不同的工藝方案；更要圍繞設(shè)計思路，力爭實現(xiàn)沒有制造瑕疵的成品。這樣才能進(jìn)行后續(xù)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，可以在相同芯片尺寸下，將納米通道提高到現(xiàn)有成果的數(shù)倍甚至更高?！睏罨壅f。

在外泌體樣本的準(zhǔn)備與處理上，楊慧團(tuán)隊不斷克服困難，積累了豐富的外泌體樣本提取、樣本表征的經(jīng)驗。

外泌體的尺寸約為 30-200 納米，一直以來，無論是科學(xué)研究還是產(chǎn)業(yè)研發(fā)，受限于外泌體本身極小的尺寸，缺乏成熟的技術(shù)方案或者科學(xué)儀器，能高效地解決樣本提取和表征的困難。

“在這項工作的推進(jìn)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(tuán)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(guān)經(jīng)驗，這些都是我們之后工作中的寶貴財富?！睏罨郾硎?。

楊慧團(tuán)隊的研究思路來源，和團(tuán)隊的研究背景息息相關(guān)。該團(tuán)隊的研究涉及多學(xué)科的交叉融合，綜合運(yùn)用工程科學(xué)、物理科學(xué)、信息科學(xué)、生物科學(xué)與化學(xué)科學(xué)的新技術(shù)。因此，團(tuán)隊取名 Laboratory of Biomedical Microsystems and Nano Devices，簡稱是 BioMiND。

楊慧認(rèn)為，“團(tuán)隊的名字非常好地形容了我們的背景，即開發(fā)微系統(tǒng)與納米器件，為解釋和解決生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的問題提供全新方法和工具?！?/span>

楊慧表示，從學(xué)術(shù)層面，這項工作收獲了國際學(xué)術(shù)同行的好評，它證明了微納米尺度的物理效應(yīng)能夠增強(qiáng)對生物對象的調(diào)控作用。在器件結(jié)構(gòu)匹配生物樣本中帶來直接處理的效果，可以啟發(fā)科學(xué)家進(jìn)行更多的方法探索并形成成果。

從應(yīng)用層面，隨著外泌體基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用的不斷開發(fā)與深入，這項技術(shù)有非常多的應(yīng)用方向?！拔覍@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(jìn)該技術(shù)的發(fā)展?！?/span>

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