超300纳米，研究人员首次「自下而上」组装大尺寸且有治疗功能的全合成胞外囊泡

细胞间的信号传递是让多细胞有机体维持正常功能的基础，机体中几乎所有的过程都需要细胞间的协调互动。皮肤中的细胞能应用多种机制来彼此交流沟通，其中一种就是细胞外囊泡（EV）。

细胞外囊泡（EV）是指从细胞膜上脱落或者由细胞分泌的双层膜结构的囊泡状小体，主要包括微囊泡（Microvesicles, MVs）和外泌体（Exosomes, Exs）及其它亚型，直径大小从几十至几千纳米不等。

近年来，有关 EV 的研究不仅对于解决细胞生物学问题至关重要，而且对于其作为生物标志物、作为靶向递送的工具、或作为细胞行为的特定调节剂等临床应用也持续引起研究人员的兴趣。

然而，目前科学家们对 EV 之间交流沟通背后的具体机制和复杂的信号传递过程知之甚少，这也是该方向治疗应用难以发展的主要限制因素之一。

此前，基于脂质构建的囊泡在生命科学中已经得到了广泛应用，并作为药物递送的载体系统。到目前为止，大多数直径约为 100 nm 的小型单层囊泡 (SUV) 已被用作生物医学应用的载体系统。尽管 SUV 在应用方面取得一些进展，但由于其尺寸限制，导致 “载货” 尺寸和数量范围并不广阔。

日前，来自马克斯普朗克医学研究所等机构的研究人员首次构建出较大尺寸且具有治疗功能的全合成胞外囊泡（FsEVs），并利用其模仿天然 EV 的功能，相关论文已发表于 Science Advances 杂志。

（来源：Science Advances）

不仅如此，着眼于天然 EV 在临床环境中的应用，研究团队已经在定量水平上确定了关键的 miRNA 和蛋白质组成，克服了此前从天然来源分离和纯化 EV 相关的技术挑战。

“模仿” 天然囊泡

在本次实验中，为了能更好地理解 EV ，研究人员选择了一种 “自下而上” 的合成生物学方法。其基于两相之间的乳化过程制造出大批量小液滴，然后在试管内设计并分步搭载功能性化合物，生成大量可编程的 FsEVs 。

其优势在于，能够精确地控制制备工艺，令产物得以模仿天然囊泡的理化性质、机械和化学稳定性和功能。

图丨自下而上组装 FsEVs：A. 制造过程示意图；B. 用荧光标记各部位；C. 荧光共聚焦显微镜图像（来源：Science Advances）

在本次研究中，研究团队人工构建了较大尺寸的 FsEVs，尺寸为 333 nm（±32 nm）。其中，每个 FsEV 中平均含有 54 ± 5.6 个 miRNA 分子。据研究团队估计，该数量与天然 EV 中的活性 RNA 含量一致。

为了验证 FsEVs 的治疗潜力，研究团队在 FsEVs 上搭载了主要的 miRNA 和三种天然 EV 上主要的四跨膜蛋白成分 CD9、CD63 和 CD81。通过分别构建了单个四跨膜蛋白或它们的组合但缺乏 miRNA 的模型，以便系统地破译单个 FsEV 组件的功能。

这进一步突出了 “自下而上” 的组件方法具备的关键优势：自下而上的组装过程允许逐步定量加载不同的分子化合物，这将有助于探究囊泡内每一种成分的相关性和功能，更加系统性地评估其在各类生理过程中所扮演的关键角色。

为了评估 FsEVs 促进伤口愈合过程中的能力，研究人员分析了其对于培养人类供体皮肤模型的影响。当利用 FsEVs 来处理皮肤伤口时，其伤口闭合地更快，再生表皮层的厚度显著增加；当测试其改善新血管形成的能力时，研究者也进行了类似的观察。

此外，确定 EV 的关键组分也是一项新进展，未来可能会使具有治疗价值的单独可调控囊泡工程化，从而治疗多种疾病，比如癌症、免疫紊乱和神经变性疾病。

图丨分别 / 组合评估搭载四跨膜蛋白的囊泡行为的富集通路。显著（P < 0.05）富集的通路在表格中以绿色标记；与免疫调节和细胞运动相关的通路分别以蓝色和绿色突出显示（来源：Science Advances）

对于该次研究，有业内人士指出，较大尺寸 FsEVs 的有助于封装更多的 miRNA，这对于后期的应用更为有利，但仍需对其可能存在的免疫反应进行评估。此外，其在体内的稳定性和组织穿透性也有待考察。

大规模合成高纯度

近年来，随着 EV 在各种疾病诊断和治疗中的广泛应用，从人体内有效分离并获取天然 EV 是此前相关研究得以开展的主要手段。

根据研究及应用领域的不同，对于获取 EV 的结构和来源等有不同要求，主要包括超速离心法、过滤法、沉淀法、亲和作用分离法和微流控技术分离法等等。

需要注意的是，其中大多数方法都无法单独分离外泌体和微囊泡，仅能够获得所有该类物质的混合物。当然，想要单独获得搭载某一种蛋白或分子的 EV 同样不可能。

图丨主要的 EV 分离原理、分离方法及其可能的应用领域（来源：BioMed Research International）

诚然，为了准确定义 EV 上的特异性蛋白质组、转录组、糖组和脂质组，从而了解其在细胞间通讯的功能和意义，旧时代的分离技术经历了不同阶段的革新，其在效率、纯度和选择性等方面均有提升。但始终存在诸多限制，主要体现在成本问题、流程复杂、污染以及产量等方面。

2020 年，来自美国科罗拉多大学的生物化学系教授刘学东教授团队在 Developmental Cell 发表文章，其通过促进分裂的方式在细胞内将水泡性口炎病毒 G 蛋白 (VSV-G) 与生物活性大分子共同包裹起来，构造出了一种特别的 “VSV-G 蛋白囊泡”。不过，其在尺寸和产量方面仍然受限。

该研究论文的通讯作者，Joachim P. Spatz 对于合成生物学的关注可追溯到 2016 年。作为一位多学科交叉领域的研究专家，Spatz 具备深厚的物理学和物理化学背景，此前分别担任过马克斯普朗克金属研究所和智能系统研究所的所长。