杨延莲和王琛研究员在细胞外囊泡的生物力学性质测量方面取得重要进展

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近日，国家纳米科学中心杨延莲和王琛研究员在细胞外囊泡的生物力学性质测量方面取得重要进展。相关研究成果“Quantitative nanomechanical analysis of small extracellular vesicles for tumor malignancy indication”发表于《先进科学》(Advanced Science. 2021, DOI: 10.1002/advs.202100825）。
        细胞外囊泡能够介导细胞间通讯，在细胞外基质中扩散从而调节肿瘤微环境，广泛存在于循环系统中。细胞外囊泡的机械性质会影响其生物学功能，例如与细胞的粘附，内吞，胞吐，摄取等，从而影响对目标细胞的改造效果。此外，囊泡的机械性质还会影响其穿越细胞外基质的过程，这对其向远端传递生物信息十分重要。细胞在恶变过程中力学性质的改变引起细胞行为和肿瘤微环境的改变，最终决定肿瘤侵袭和转移。细胞外囊泡是细胞分泌的纳米级膜囊泡，携带和传递来源细胞的磷脂膜，及胞浆蛋白和核酸等内容物，反映来源细胞的分子生物信息和力学性质，被认为是稳定循环的生物标志物，也是理想的细胞力学研究模型。细胞外囊泡的生物力学性质决定其在循环系统、肿瘤微环境以及细胞分泌和摄取等细胞间通讯过程中的行为，最终影响肿瘤进展和转移。
        近年来，关于细胞外囊泡生物力学性质的研究较少，以杨氏模量作为评估指标而表观地分析囊泡的刚度，缺乏对囊泡内在纳米力学性质，例如弯曲模量和渗透压等对囊泡刚度的探讨。在本工作中，研究人员利用原子力显微镜在单个细胞外囊泡水平上研究了其力学行为，剖析了囊泡的内在纳米力学性质，通过设计纳米压痕实验研究了弯曲模量和渗透压等对囊泡刚度的影响，并且通过建立一种新的力学模型对囊泡的力学行为进行定量分析。通过比较不同恶性程度和不同大小的细胞外囊泡，建立了细胞外囊泡纳米力学性质与肿瘤恶性程度以及尺寸大小的关系，有助于建立以细胞外囊泡纳米力学性质为生物标志物的肿瘤恶性程度评估方法和标准。同时，由于细胞外囊泡的高生物相容性，低免疫原性等特点，现在越来越多的被用作一种药物递送载体，对细胞囊泡生物力学性质的系统研究也为设计和优化以细胞外囊泡为基础的纳米药物载体，通过调节其刚度而提高药物递送效率提供帮助。

             图1. 基于AFM的纳米压痕示意图及弯曲模量随小细胞外囊泡恶性程度和尺寸变化的规律

         杨延莲课题组长期致力于开发肿瘤检测及治疗的新方法。前期提出了微球辅助流式细胞术方法来检测血液来源的小细胞外囊泡，近年来将该方法拓展应用于乳腺癌（Small methods. 2018;2(11):1800122），脑胶质瘤（Theranostics, 2019;9(18): 5347-58），垂体瘤（Analytical Chemistry, 2019;91(15): 9580-89）等多种肿瘤的液体活检分析当中，并在100余例癌症患者血液样本中取得很好的检测效果，实现了多种癌症的临床诊断和分子分型，具有高灵敏度和特异性，在临床上具有广泛的应用前景。在此标志性蛋白分型的基础上，考虑到小细胞外囊泡在肿瘤转移中的力学性质差异，构建了一种新的模型对AFM典型力曲线数据进行分析，结合小细胞外囊泡的尺寸异质性，实现了对不同恶性程度以及同一来源不同大小囊泡的纳米力学性质差异分析。在大量生物标记物工作出现的同时，这些结果对小细胞外囊泡的化学物理性质提供了重要信息。
        本论文的第一作者为国家纳米科学中心博士研究生叶思源，通讯作者为国家纳米科学中心朱凌特聘研究员、王琛研究员和杨延莲研究员。上述研究工作得到了国家重点研发计划纳米专项，国家自然科学基金、中科院前沿科学重点研究计划，中科院战略性先导科技专项B类和中科院青年创新促进会的支持。
        原文链接：http://doi.org/10.1002/advs.202100825。




        文章来源：国家纳米科学中心
        杨延莲，博士，国家纳米科学中心研究员。1992年9月至1999年7月在山东大学化学学院学习并获得理学学士学位和理学硕士学位，2002年6月于北京大学化学与分子工程学院获理学博士学位，之后继续从事博士后研究工作两年。 2004年7月-2010年2月，国家纳米科学中心副研究员，期间（2007年10月-2008年11月）到美国麻省理工学院生物医学工程中心做访问学者，2010年3月聘为国家纳米科学中心研究员。主要研究兴趣包括：疾病相关的多肽组装结构及其调控的分子机制、基于扫描探针显微技术的纳米表征方法、功能分子纳米结构的构筑与表征等。主持和参与多项国家级研究项目，如科技部重大科学研究计划、国家自然科学基金委重点、面上项目以及中国科学院重要方向项目等，发表SCI收录论文100余篇。
        王琛，国家纳米科学中心研究员,博士生导师。长期从事纳米尺度上物质表面的物理和化学现象研究。近年来，在疾病相关多肽的组装结构及其调控的分子机制方面进行研究，探索发展多肽纳米结构的疾病检测与治疗技术。曾主持和参与了多项国家级科技项目，包括科技部国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金重点项目、中国科学院战略性先导科技专项等。曾获中国科学院优秀青年（1997）、中国化学会青年化学奖（1998）、中国科学院杰出青年称号（1999）、香港“求是”青年学者奖（1999）、解放军科技进步二等奖（1999）、教育部科技进步一等奖（2003，第二完成人）、中国真空学会“科技成就奖”（2005）等奖励。