细胞外囊泡（EVs）作为细胞间通讯的重要介质，在药物靶向治疗方面显示出巨大潜力。利用生物工程技术，定制化EV内容物或表面（如miRNA，蛋白等），是获得具有高递送效率和靶向性的工程化外囊泡（Engineered EVs）的核心途径。当前主流的EV生产技术，是通过对供体细胞进行改造，使其分泌特定类型的EVs。然而，EV内货物的装载及分泌行为受到严格调控，导致该方案产量低，目标药物装载效率低，严重限制了其临床应用。
针对这一问题，北京航空航天大学常凌乾团队和合作者设计了一种纳米生物芯片，显著提高了工程化EVs的产量，同时提高了EV内目标基因药物的含量。相关成果以“Efficient, high-quality engineering of therapeutic extracellular vesicles on an integrated nano-platform”为题发表在《ACS Nano》上。论文通讯作者还包括山东大学刘招舰教授和北京航空航天大学牟玮教授。论文第一作者为王玉琼博士、研究生杨宽、黄兆存和汪于森。
研究团队设计纳米芯片平台（称为PURE，图1），实现了细胞外囊泡生产（P区）、吸收（U区）和氨离子清除（RE区）的系统集成，以确保从生产到富集、再到代谢废物去除的每一步都能高效运行。在P区，供体细胞种植于纳米孔道阵列表面，通过“纳米电穿孔技术”，将目标基因药物递送进供体细胞内。此外，纳米电穿孔可以刺激细胞大量分泌含有目标基因药物的EVs。在U区，使用甲基丙烯酸酯（GelMA）-壳聚糖水凝胶，通过静电作用吸引，有效地收集和富集呈负电性的工程化EVs。同时，U区域为细胞组织培养提供三维支架，可以进行芯片上细胞及组织三维培养。在RE区，仿照肝脏解毒功能，利用反向特斯拉阀微通道培养肝细胞，显著减缓流速，并充分吸收培养系统中的代谢废物铵离子，从而保证EVs的高质量获取。
为评估PURE平台生产工程化EVs的能力，研究者衡量了两个重要指标：单细胞EVs分泌量和目标药物的装载效率（图2）。实现发现：PURE技术施加一次电递送/电刺激，可以使得供体细胞的EVs产量达到细胞自然状态下的12倍。通过实时控制培养环境内的氨离子，PURE平台有效地提高了供体细胞高分泌活性和代谢废物清除效率，最终生成的EVs内目标药物（miR-130a）的含量，约是自然状态下细胞EVs的146倍，约是脂质体转染后细胞分泌EVs的27.8倍。图2. PURE有效提升单细胞EVs产量及EV内目标基因药物含量。PURE平台同时解决了工程化EVs生产的两大难点，即单细胞产量低和药物装载效率低的问题，为推动EVs临床应用提供了新的解决方案，并展示了两个潜在临床应用场景（图3）：研究团队利用该平台进行了卵巢组织三维培养，成功的利用富含miR-130a的工程化EVs激活卵泡mTOR信号通路，最终显著提高了原始卵泡体外激活。此外，通过将富含miR-130a的工程化EVs的多孔水凝胶植入到衰老小鼠体内，实现了4周内的EVs的稳定缓释，并显著改善了衰老小鼠卵巢内卵子老化和抗米勒氏管激素（AMH）降低等问题，为临床上治疗早衰卵巢功能不全（POI）提供了新方法。图3. PURE实现原始卵泡体外激活以及衰老小鼠体内植入后改善卵巢功能。综上，PURE为临床上的治疗性EVs工程化提供了一种高效、高质量的新技术，具有广泛的适用性，如蛋白质、mRNAs、DNAs或分子药物等，有望在将在靶向基因治疗、蛋白替代治疗和化学治疗等领域得到广泛应用。https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c04730声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
