Materials Today Bio: 微流控芯片技术助力细胞外囊泡产量的提高
近日，中国科学院深圳先进技术研究院的生物医学微系统与纳米器件团队，简称为BioMiND，提出了一种微流控芯片技术，实现了间充质干细胞的工程化改造，并显著提高了细胞外囊泡的分泌量。最新研究成果以“Mechanical stimulation on a microfluidic device to highly enhance small extracellular vesicle secretion of mesenchymal stem cells” (基于微流控芯片的机械刺激高效增强间充质干细胞分泌细胞外囊泡) 为题发表在生物医学工程领域TOP期刊《Materials Today Bio》上 (DOI: doi.org/10.1016/j.mtbio.2022.100527)。该论文的第一作者为客座博士生郝锐、共同第一作者为博士生胡师，论文的通讯作者为杨慧研究员，厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院郭航教授为文章的共同通讯作者。
2013年，诺贝尔生理学或医学奖颁发给美国科学家詹姆斯·罗思曼、兰迪·谢克曼以及德国科学家托马斯·祖德霍夫，以表彰他们发现“细胞的囊泡运输调控机制”。囊泡运输构建了人体生理学和病理学过程中的“智慧物流运输系统”，负责细胞间的能量转换、信息通讯以及物质递送等基本生命过程。由于细胞外囊泡具有生物相容性好、免疫原性低、体内循环时间长以及跨血脑屏障等特性，因而被视为重要的生物标志物和天然的运载工具，在智能药物递送、重大疾病精准诊疗等领域展现了巨大的应用潜力。
图1“智慧物流运输系统”——细胞外囊泡
然而在常规培养条件下，供体细胞往往存在分泌效率有限、外囊泡产量低等技术问题，尤其对于扩增能力有限的间充质干细胞，极大的限制了细胞外囊泡的功能研究和转化应用。为了提高细胞外囊泡的分泌量，常用的技术手段包括分子干扰、乙醇处理以及pH调控等生化策略，因其依赖于生化试剂添加物，极易改变供体细胞的生理状态，从而影响细胞外囊泡的功能性和安全性。为了应对这一挑战，杨慧团队提出了一种名为“种子SEED芯片 (Small Extracellular vEsicles Developer)”的微流控编辑平台，寓意：播种细胞而收获囊泡，通过高通量且无损伤的物理刺激细胞，显著提高细胞外囊泡的分泌量。
图2“种子SEED芯片”的械挤压增强细胞外囊泡分泌量的原理图
“种子SEED芯片”技术方案，借助了微流控芯片技术可在微观尺度 (10-6米，相当于1/100的头发丝直径) 下精确控制和操控微流体的特点，可以将物理场作用定位到细胞尺度，实现对供体细胞的高通量且高精度的机械处理，并维持供体细胞的正常生长状态。
图3 “种子SEED芯片”处理前后的骨髓来源间充质干细胞表征，(A) 细胞形态观察 (比例尺: 100 μm)，(B) 细胞数量测量，(C) 细胞活性分析，(D) 细胞干性鉴定
芯片制备基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS) 的微纳制程工艺，在微通道内部引入“鱼骨型”微阵列结构，周期性机械挤压且无损伤刺激细胞，极大的增强细胞外囊泡的分泌量，且针对不同来源的细胞可实现微结构的特异性开发，以满足生物医学应用的个性化需求。该研究采用骨髓来源间充质干细胞作为应用对象，成功使干细胞外囊泡的产量提高了数倍，并以角膜损伤模型为例，验证了此技术生产的干细胞外囊泡能够显著促进组织修复。这项工作成功构建了大规模生产细胞外囊泡的新范式，为推动干细胞外囊泡应用于组织再生医学研究及临床转化提供了新助力。
图4 不同实验组别的细胞外囊泡表征，(A-B) 外囊泡形态观察，(C) 特征蛋白分析，(D) 单个细胞的外囊泡分泌数量测量，(E) 单个细胞的外囊泡蛋白定量分析，(F-G) 外囊泡的尺寸分布，(H) 角膜上皮伤口愈合相关微小RNA表达分析
未来，基于微流控芯片技术增强细胞外囊泡分泌量的新策略有望发展成为一种平台型工具，并与胞内递送外源物质研究相结合，提高细胞外囊泡产量的同时，将具有生物学意义和临床治疗作用的外源物质装载到外囊泡中，为外囊泡装载研究以及精准治疗应用提供新的技术支持。本研究工作得到了国家自然科学基金项目 (62074155, 62175252)、广东省基础与应用基础研究基金项目(2020A1515110938, 2020A1515110142)以及深圳市科技创新委员会(KCXFZ202002011008124, JCYJ20210324101405016) 的资助与支持。
Rui Hao, Shi Hu, Huitao Zhang, Xi Chen, Zitong Yu, Jingyi Ren, Hang Guo, and Hui Yang, “Mechanical stimulation on a microfluidic device to highly enhance small extracellular vesicle secretion of mesenchymal stem cells,” Materials Today Bio 18, 100527 (2023). https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2022.100527
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撰稿人 | 郝锐
校稿人 | 杨慧 左其桑
