学术报告

这篇文章是研究团队Jie Wang、Yue Dong、Yiwei Li、Wei Li、Kai Cheng、Yuan Qian、Guoqiang Xu、Xiaoshuai Zhang、Liang Hu、Peng Chen、Wei Du、Xiaojun Feng、Yuan-Di Zhao、Zhihong Zhang和Bifeng Liu于2018年发表在《Advanced Functional Materials》杂志上的一项原创研究，文章题目是《Designer Exosomes for Active Targeted Chemo-Photothermal Synergistic Tumor Therapy》（DOI: 10.1002/adfm.201707360）。研究的主要完成单位包括华中科技大学生命科学与技术学院、麻省理工学院机械工程系及中国科学院武汉物理与数学研究所脑科学研究中心。

研究背景

癌症作为全世界范围内最具破坏性的疾病之一，其治疗一直是生命科学和药物研究的核心难题之一。化疗作为最为常用的癌症治疗手段，尽管有较高的疗效，但传统化疗伴随许多副作用，如药物无法精准送达目标组织、副作用显著、血流中材料不稳定等问题。而近年来，人工纳米颗粒应用于肿瘤治疗的研究不断发展，尤其是热敏脂质体结合金纳米棒（gold nanorods, AuNRs）协同治疗癌症已经显示出一定潜力。然而，这类合成的热敏脂质体制备过程复杂、成本偏高。

而外泌体（exosome）作为一种由细胞分泌的天然纳米囊泡，因其优秀的生物相容性、接近于零的免疫原性、较长的血液循环时间和独特的细胞间通讯能力（如穿越血脑屏障和渗透组织结构）的特点，逐渐吸引了研究者的注意力。尽管如此，外泌体在靶向癌细胞及受控释放药物方面仍存在重大挑战。

为解决这些局限性，该研究首次提出了一种新型“设计”外泌体（Designer Exosome），通过生物与合成材料的混合策略，为靶向化疗-光热协同肿瘤治疗提供了一种高效纳米载体。此类外泌体不仅保留了天然外泌体的优点，还具备如合成纳米载体般的多功能性。

研究设计与实验流程

实验设计

本研究开发了一种基于捐赠细胞辅助膜修饰策略，结合金纳米棒（AuNRs）的设计外泌体平台。外泌体膜通过修饰RGD肽（arginyl-glycyl-aspartic acid, 具细胞黏附分子整联蛋白靶向性）与巯基（sulfhydryl）基团实现功能化；通过共价键结合叶酸（fa）；并将基于NIR（近红外光）照射激活光热效应，进一步实现协同药物释放和癌细胞消融。

具体步骤

1. 细胞培养与外泌体分离： THP-1细胞被诱导为巨噬细胞，并通过在含有功能化脂质分子（DSPE-PEG-RGD和DSPE-PEG-SH）的培养基中培养，实现细胞膜修饰。经过一系列超速离心和纯化步骤，从细胞培养基中过滤、收集并分离外泌体，同时利用western blot和流式细胞术确认外泌体的分子标志（如CD81和CD63）。

2. 外泌体功能化和载药： 功能化的外泌体通过与金纳米棒结合，利用Au-S键实现整合，随后与叶酸进一步化学修饰，完成双靶向配体的功能化。“电穿孔实验”用于将化疗药物阿霉素（Doxorubicin, Dox）成功封装于功能化外泌体中。此外，实验中还优化了电穿孔参数以达到79%的药物加载率，同时验证了修饰功能化对外泌体天然特性的保留。

3. 实验特性验证：

   • 运用透射电子显微镜（TEM）、动态光散射（DLS）、紫外-可见分光光度法（UV-Vis）等手段表征功能化外泌体的大小、形态及其近红外吸收光谱。
   • 通过温控及pH梯度实验，评估外泌体膜的热敏性、膜穿透性变化及药物释放参数。

4. 体外与体内实验：

   • 靶向性能测试：分别在高整联蛋白αvβ3及高叶酸受体表达细胞（HeLa细胞）和低表达细胞（MCF-7细胞）中，利用荧光标记和流式细胞术分析细胞摄取效率。
   • 肿瘤靶向与药效评价：构建HeLa荷瘤裸鼠模型，静脉注射不同功能化组分（单配体与双配体修饰外泌体），通过近红外荧光成像及肿瘤药物含量检测评估体内分布与靶向性。
   • 综合治疗效果：结合近红外光照射，对荷瘤小鼠从肿瘤温升、肿瘤尺寸变化、生存率等指标评价协同治疗效果。

主要研究结果

外泌体修饰

• TEM结果显示双配体功能化后外泌体呈均一分布，粒径增大至150-300nm范围，适合通过EPR（增强型渗透与滞留）效应富集肿瘤组织。
• NIR区域的特征吸收峰表明外泌体成功结合AuNRs；FTIR和Zeta电位进一步确认了双配体修饰的化学结合。

光热与化疗结合的协同治疗作用

• NIR光照显著提升外泌体膜渗透性，药物释放速率在酸性环境（pH 5.5）和70%近红外加热条件下大幅加速。
• 对癌细胞（HeLa）进行杀伤性实验表明，在近红外激活条件下，协同光热和化疗作用显著提高肿瘤细胞死亡率。

靶向性与体内效率

• 双配体修饰外泌体较单配体显著增强HeLa细胞摄取效率（高达4倍以上）。
• 在小鼠模型中，双配体修饰的外泌体在肿瘤组织中具有最高的药物富集浓度，与其他主要器官相比，肝脏蓄积明显减少。
• 红外成像和组织剖析证实高效靶向肿瘤，治疗组的肿瘤增长被显著抑制。

体内安全性

• 利用小鼠体内肝肾毒性功能参数（ALT、AST、CRE、BUN）未观察到显著差异；主要脏器的H&E染色未发现组织损伤，展示良好的生物安全性。

结论与意义

该研究提出了一种多功能设计外泌体，首次实现了靶向癌症的化疗-光热协同治疗策略。其重要意义在于： 1. 提供了一种结合天然外泌体生物相容性与合成纳米材料多功能性的综合平台。 2. 通过双配体修饰协同靶向提升药物递送效率。 3. 近红外激活促进药物受控释放，为精确治癌开辟新路径。

这种平台展示了其在癌症治疗中潜在的应用前景，为个性化精准医疗提供了可能性。

研究亮点

• 首次结合AuNRs与功能化外泌体，实现光热协同靶向治疗。
• 创新性双配体策略显著增强癌细胞靶向性与药物释放响应。
• 优秀的体内生物相容性和无明显副作用。