外泌体具有重要的临床应用潜力,但其实际应用受限于易降解和难以稳定保存等问题 体内 清除率高且稳定性差。微针技术通过穿透生理屏障实现局部递送,并可在干燥状态下保存,从而克服了外泌体给药的局限性,拓展其临床应用价值。
外泌体具有重要的临床应用潜力,但其实际应用受限于易降解和难以稳定保存等问题 体内 清除率高且稳定性差。微针技术通过穿透生理屏障实现局部递送,并可在干燥状态下保存,从而克服了外泌体给药的局限性,拓展其临床应用价值。
外泌体作为一种新兴的"下一代"生物治疗剂和药物递送载体,在从药物递送、再生医学到疾病诊断和肿瘤免疫治疗等多个生物医学领域展现出巨大潜力。然而,传统推注给药方式导致外泌体迅速被清除,且其稳定性较差,限制了其临床应用。微针可作为一种解决方案,延长外泌体在给药部位的滞留时间,从而维持药物浓度,实现持续的治疗效果。此外,微针还具备维持生物活性物质稳定性的能力。因此,我们介绍一种用于负载和递送外泌体的微针贴片,并分享相关方法,包括外泌体的分离、载外泌体微针贴片的制备及其表征。该微针贴片采用海藻糖和透明质酸作为针尖材料,聚乙烯吡咯烷酮作为背衬材料,通过两步浇铸法制备而成。微针具有良好的机械强度,针尖可承受2 N的力。实验中使用猪皮模拟人体皮肤,微针刺入皮肤后,针尖在60秒内完全溶解。从微针中释放的外泌体在形态、粒径、标志蛋白及生物学功能方面均与新鲜外泌体相当,能够被树突状细胞摄取并促进其成熟。
外泌体是由细胞释放到细胞外基质中的小囊泡,被认为在多种疾病和癌症的治疗中具有作为生物治疗剂和药物递送载体的潜力1在生物合成过程中,外泌体包裹了细胞内的多种生物活性分子,包括功能蛋白和核酸2因此,在运输过程中被受体细胞摄取后,外泌体能够调控靶细胞中的基因表达和细胞功能3作为一种天然的信息传递介质,外泌体已在组织再生、免疫调节以及作为递送载体方面得到充分应用4通过工程技术,可将特定配体富集于外泌体表面,从而诱导或抑制受体细胞中的信号事件,或靶向特定细胞类型5化疗药物也可被载入外泌体用于癌症治疗6此外,外泌体能够穿过血脑屏障以递送治疗性载荷,因此在脑部疾病治疗中具有广阔的应用前景7与脂质体相比,外泌体表现出更强的细胞摄取能力和更优的生物相容性8它们能够高效进入其他细胞,同时表现出更好的耐受性和更低的毒性9然而,外泌体的传统团注给药方式容易在血液中被肝脏、肾脏和脾脏截留并迅速清除10此外,外泌体的稳定性较差 体外 且易受储存条件影响,限制了其临床应用11.
微针是由微米级针尖组成的阵列,能够穿透生理屏障,用于递送小分子药物12、蛋白质13、核酸14和纳米药物15。微针经过精确设计,可靶向皮肤表面的病灶,其分散的针尖可确保在靶部位实现药物的均匀分布,从而增强治疗效果16。微针的结构设计和材料组成有利于 蛋白质和核酸等生物活性物质的干燥储存,提高其稳定性17。传统的注射方法作用时间相对较短,且可能引起疼痛,导致患者恐惧18。微针的微米级长度可最大限度减少组织损伤并避免刺激神经,从而消除疼痛,提高患者的依从性19。此外,微针使用简便,患者无需专业人员协助即可自行给药16。除皮肤外,微针还可应用于眼部20、口腔黏膜21、心脏22和血管23等组织。利用微针进行外泌体的临床递送,提供了一种具有前景的策略。
因此,我们介绍了一种载有外泌体的微针(exo@MN)贴片,并公开其制备方法。微针贴片采用两步浇铸法结合离心和真空干燥技术制备,该方法可促进外泌体在微针针尖部位的聚集,从而提高递送效率。微针的针尖和背衬均采用具有良好生物相容性和水溶性的材料构建。针尖部分添加了海藻糖和透明质酸(HA)以保护外泌体,背衬材料则选用溶于无水乙醇的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。采用显微镜和扫描电子显微镜 (SEM)对微针贴片的形貌进行表征。通过拉伸仪对微针进行力学性能测试,验证其穿透皮肤的能力,并在猪皮肤上测得释放时间为60秒。此外,采用透射电子显微镜 (TEM)、纳米颗粒追踪分析(NTA)和蛋白质印迹(WB)对外泌体在新鲜状态以及装载于exo@MN中时的形貌、粒径和蛋白含量进行表征。利用共聚焦激光扫描显微镜 (CLSM)检测树突状细胞(DCs)对外泌体的内化作用,并通过流式细胞术评估DCs的成熟情况。两种来源外泌体的形态学特征和生物学功能基本一致。
本研究无需伦理审批,因为第3节所述实验所用猪皮系从市场购买的可食用猪耳,而非来源于实验动物。
1. 外泌体的分离
2. 外泌体微针(exo@MN)的制备

图1:exo@MN贴片的制备流程。 请点击此处查看该图的放大版本。
3. 外泌体@MN贴片的表征
4. exo@MN 贴片中外泌体的表征
注意:将 exo@MN 的微针尖端溶解于 100 µL DPBS 溶液中,以对释放的外泌体进行以下表征。
5. 统计分析
本文介绍了一种外泌体分离、exo@MN 贴片制备及其表征的实验方案。图1展示了exo@MN贴片的制备流程图。将外泌体与海藻糖和透明质酸(HA)混合后,加入微针模具并进行离心。该过程促使外泌体在针尖处聚集,从而实现快速释放。干燥后,加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液并再次离心,以完全填充模具。完全干燥后,脱模获得exo@MN贴片。采用显微镜和扫描电镜(SEM)对微针的形貌进行表征,结果如图2所示。exo@MN贴片的针尖呈圆锥形,排列为10 × 10阵列,针尖锐利且结构完整。微针针尖可承受2 N的力,足以穿透皮肤屏障。此外,采用猪皮作为人皮肤的替代模型,模拟exo@MN贴片的应用。将贴片按压至猪皮表面以观察释放时间,结果显示微针针尖在60秒内完全溶解。将exo@MN贴片溶解于DPBS中进行表征,结果如图3所示。透射电镜(TEM)图像显示囊泡具有典型的杯状结构,符合外泌体的形态特征。通过纳米颗粒追踪分析(NTA)测定exo@MN溶液的粒径分布,结果显示颗粒主要集中在50–250 nm范围内。然而,也存在部分较大颗粒,这可归因于HA材料的黏附特性导致的外泌体聚集。对exo@MN溶液中CD63/Alix蛋白进行的WB分析表明,exo@MN能够部分保留外泌体中的蛋白质。exo@MN释放的外泌体的生物学功能在图4中得到验证,重点评估了细胞对外泌体的摄取能力以及树突状细胞(DCs)的活化情况,并与新鲜外泌体进行了比较。共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)图像证实,DCs对外泌体的摄取效率较高,无论是新鲜外泌体还是exo@MN中的外泌体均能被有效摄取。流式细胞术的代表性图像及比例统计结果显示,exo@MN中的外泌体具有促进DCs活化的生物学功能,其效果与新鲜外泌体相似。

图 2:外泌体负载微针贴片(exo@MN patches)的表征。 (A)外泌体负载微针贴片的体视显微镜图像。比例尺 = 400 µm。(B)外泌体负载微针贴片的扫描电子显微镜(SEM)图像。比例尺 = 200 µm。(C)外泌体负载微针贴片的载荷-位移曲线。(D)外泌体负载微针贴片插入猪皮后在不同时间点的显微图像。比例尺 = 400 µm。请点击此处查看该图的高清版本。

图3:新鲜外泌体及exo@MN中外泌体的表征。(A)透射电子显微镜(TEM)观察外泌体形态。比例尺 = 100 nm。(B)纳米颗粒跟踪分析(NTA)检测外泌体的粒径分布。(C)Western blot(WB)检测外泌体标志物CD63和Alix。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:新鲜外泌体及exo@MN中外泌体的生物学检测。 (A)树突状细胞(DCs)摄取外泌体的共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)图像。比例尺 = 10 µm。(B)流式细胞术检测DCs活化的代表性图谱。(C)CD11c+CD80+MHCII+ DCs百分比的定量分析。数据以均值 ± 标准差表示(n = 3)。请点击此处查看该图的放大版本。
目前,分离外泌体的主要方法包括超速离心法、密度梯度离心法、超滤法、沉淀法、免疫亲和磁珠法以及微流控技术24。由于微针针尖空间较小,导致其载药能力有限,因此有必要提高外泌体的浓度以实现更高载量。为此,我们选择先采用超滤法浓缩细胞培养上清液,再通过超速离心法分离外泌体。通过少量液体重悬的方式提高了外泌体的浓度,使微针能够负载数十至数百微克的外泌体。然而,该方法所获得的外泌体溶液中仍含有大量蛋白质杂质,且在离心过程中会造成显著的外泌体损失。目前,外泌体在治疗应用中的局限性之一,正是缺乏能够高效、高纯度、大规模分离外泌体的有效方法。随着外泌体临床潜力的不断探索,未来亟需开发更先进的技术以应对提取过程中的各项挑战。
本研究的关键技术在于基于外泌体的微针设计。为了最大限度减少外泌体的浪费并实现更强的治疗效果,采用了一种两步浇铸法来制备exo@MN贴片。已有文献报道,海藻糖是适合用于外泌体冻干保存的材料25,而透明质酸(HA)具有优异的生物相容性、亲水性,并在抑制炎症和促进皮肤修复方面发挥功能26。使用这两种材料制备载有外泌体的针尖,有助于维持外泌体的生物活性,使其在皮肤内快速溶解并释放。此外,该方法还可降低感染风险,促进皮肤快速恢复。通过离心和真空干燥处理,使外泌体在微针针尖部位实现富集。考虑到乙醇与海藻糖之间的不相容性,选择将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于无水乙醇中作为背衬材料。这种分层制备方法显著提高了外泌体的递送效率。
外泌体稳定性差 体外在4 °C、37 °C或-80 °C保存时,均可能导致外泌体结构改变或降解11为了解决这一问题,多项研究探索了外泌体的储存方法,例如冻干法。微针技术则提供了另一种新颖的策略。通过在室温下干燥,微针技术可提高外泌体的稳定性,并可直接用于外泌体递送,无需其他处理步骤。此外,外泌体的提取过程复杂且易发生降解,导致其大规模应用面临挑战。采用微针技术储存已提取的外泌体虽不能简化提取步骤,但可减少所需提取次数。一次提取即可制备大量外泌体负载的微针贴片(exo@MN),并实现长期储存。每次治疗使用同一批次制备的外泌体微针,可最大限度降低不同批次间差异对治疗效果的潜在影响,从而提升外泌体纳米平台的可重复性与可靠性27这为外泌体的临床应用提供了更多可能性。
在未来的研究中,值得探索能够精确控制载药量并最大限度减少针尖间药物差异的方法。这可以通过工艺优化、实施质量控制措施以及采用先进技术来实现。解决这些问题将对开发可靠且一致的药物递送系统起到重要推动作用。
H. C.、F.L.Q 和 S.J.M 是一项专利申请的发明人,该专利申请基于本文手稿中的数据。H.C. 是 Medcraft Biotech. Inc. 的科学创始人。
F.L.Q. 感谢先锋计划(Pioneer R)的支持&D 计划(2022C03031)、国家重点研发计划(2021YFA0910103)、国家自然科学基金(22274141,22074080)、山东省自然科学基金(ZR2022ZD28)和山东省泰山学者计划(tsqn201909106)。H.C. 感谢国家自然科学基金(82202329)提供的经费支持。作者感谢中国科学院杭州医学研究所(HIM)共享仪器平台所提供的仪器支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 100倍青霉素-链霉素溶液 | 杰润生物科学 | MA0110 | 细胞培养 |
| 180 kDa 预染蛋白标记物 | 赛默飞世尔科技 | 26616 | 蛋白质印迹法 |
| 3% 醋酸铀酰 | 河南瑞鑫实验用品 | GZ02625 | 外泌体的形态学表征 |
| 3D 打印机 | BMF 技术 | nanoArch S130 | 模具制备 |
| 4%–20% 预制胶 | Genscript | ExpressPlus PAGE 凝胶 | 蛋白质印迹法 |
| 5× SDS-PAGE 上样缓冲液 | 泰坦 | 04048254 | 蛋白质印迹法 |
| 抗小鼠Alix抗体 | Biolegend | 12422-1-AP | 蛋白质印迹法 |
| 抗小鼠CD63抗体 | Biolegend | ab217345 | 蛋白质印迹法 |
| APC 抗小鼠 CD80 抗体 | Biolegend | 104713 | 抗体 |
| 自动匀胶机 | 自主 | JBA5-100 | 微针的形态学表征 |
| BCA 法检测试剂盒 | Beyotime | P0012 | 蛋白质浓度测定 |
| 离心 | 赛默飞世尔科技 | Muitifuge X1R pro | 细胞离心机 |
| 循环水真空泵 | Yuhua Instrument | SHZ-D(III) | 过滤 |
| CO2培养箱 | Eppendorf | CellXpert C170 | 细胞培养 |
| 共聚焦激光扫描显微镜 | 尼康 | A1HD25 | 荧光成像 |
| 铜网 | 北京中精科仪科技 | JF-ZJKY/300 | 外泌体的形态学表征 |
| D-(+)-海藻糖二水合物 | Aladdin | 5138-23-4 | 微针的制备 |
| 杜尔贝科’s 改良的 Eagle’s 培养基 | Meilunbio | MA0212 | 细胞培养 |
| 杜尔贝科’磷酸盐缓冲液 | 美仑生物 | MA0010 | 细胞培养 |
| 电泳系统 | Bio-rad | PowerPac-basic | 蛋白质印迹法 |
| 胎牛血清 | 杰润生物科学 | JR100 | 细胞培养 |
| FITC 标记的抗小鼠 CD11c 抗体 | Biolegend | 117305 | 抗体 |
| 流式细胞术 | BD | LSR Fortessa | 荧光检测 |
| 凝胶成像仪 | Cytiva | Amersham ImageQuant 800 | 蛋白质印迹法 |
| HRP标记的山羊抗兔IgG | CST | 7074S | 蛋白质印迹法 |
| HTL 树脂 | BMF 技术 | 模具制备 | |
| 透明质酸(分子量 = 300 kDa) | Bloomage Biotechnology | 9004-61-9 | 微针的制备 |
| 浸油 | 尼康 | MXA22168 | 荧光成像 |
| 离子清洗器 | JEOL | EC-52000IC | 外泌体的形态学表征 |
| 显微镜 | Olympus | CKX53 | 观察微针尖端的溶解过程 |
| 小鼠卵巢上皮癌细胞 ID8 | MeisenCTCC | CC90105 | 细胞培养 |
| 纳米颗粒跟踪分析 | Particle Metrix | ZetaView | 外泌体大小分析 |
| 太平洋蓝标记的抗小鼠 I-A/I-E 抗体 | Biolegend | 107619 | 抗体 |
| 苯甲基磺酰氟 | Beyotime | ST507 | 蛋白酶抑制剂 |
| 等离子清洗机 | 合肥科晶材料技术 | PDC-36G | 微针的制备 |
| 聚二甲基硅氧烷 | 道康宁 | 9016-00-6 | 模具制备 |
| 聚乙烯吡咯烷酮(分子量 = 40 kDa) | Aladdin | 9003-39-8 | 微针的制备 |
| Prism | GraphPad | 版本 9 | 统计分析 |
| PVDF膜 | Millipore | IPVH00010 | 蛋白质印迹法 |
| 快速离心机 | 贝克曼 | 344619 | 外泌体提取 |
| RIPA裂解缓冲液 | Applygen | C1053 | 裂解膜 |
| 罗斯威尔公园纪念研究所1640 | 美仑生物 | MA0548 | 细胞培养 |
| 扫描电子显微镜 | JEOL | JSM-IT800 | 微针的形态学表征 |
| 体视显微镜 | 奥林巴斯 | SZX16 | 形态学表征 |
| 超敏ECL检测试剂 | Applygen | P1030 | 蛋白质印迹法 |
| 拉力计 | Instron | 68SC-05 | 机械测试 |
| 透射电子显微镜 | JEOL | JEM-2100plus | 外泌体的形态学表征 |
| Tris缓冲盐水 | Sangon Biotech | JF-A500027-0004 | 蛋白质印迹法 |
| Tween-20 | Beyotime | ST825 | 蛋白质印迹法 |
| 超速离心机 | 贝克曼 | Optima XPN-100 | 外泌体提取 |
| 超滤管 | Millipore | UFC910096 | 外泌体浓度 |
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