华科刘笔锋Adv. Funct. Mater.：双配体修饰外泌体的化疗-光热协同靶向肿瘤治疗法

【引言】

癌症是世界上最具破坏性的疾病，化疗是目前治愈癌症最广泛使用的治疗方法之一。外泌体是由细胞释放的纳米膜囊泡(直径50-150 nm)，可以从体液和细胞培养上清液中轻易分离得到。外泌体具有良好的生物相容性和无免疫原性，是一种性能优异的药物载体。此外，外泌体还能穿过血脑屏障和致密的结构组织。然而，赋予外泌体优异的肿瘤靶向能力极具挑战性，因此很少被报道。此外，如何控制释放包被在外泌体中的药物是一个难题，目前尚未解决。

通过严格而复杂的遗传操作，将靶向肽或蛋白整合到外泌体中，使其在外泌体供体细胞中表达，能够使外泌体具有靶向性。除了配体介导的靶向外，磁性药物靶向还提供了一种非侵入性的替代方法，以提高治疗效果。然而，准确定位是一项困难的工作，靶向效果不仅取决于磁性氧化铁纳米粒子的性质，还取决于壳层的选择、药物的连接类型和血流速度。因此，开发一种能够靶向给药和控制药物释放的外泌体载体非常有必要。

【成果简介】

近日，华中科技大学的刘笔锋教授（通讯作者）等人利用供体细胞辅助膜改性的方法，通过生物组合设计，首次制备了具有光敏功能的的外泌体。并在Advanced Functional Materials上发表了题为"Designer Exosomes for Active Targeted Chemo-Photothermal Synergistic Tumor Therapy"的研究论文。该团队设计的外泌体结合了合成材料和天然纳米粒子的优点，不仅保留了天然外泌体固有的功能，而且还像合成纳米载体一样，具有多种有效的肿瘤靶向性和控释能力。通过双配体介导的内吞作用，能够有效地在靶肿瘤部位积累，结合金纳米棒在近红外照射下产生的局部热疗，会影响外泌体膜的通透性，促进外泌体的药物释放，进而抑制肿瘤的复发。此外，设计的全能外泌体还通过合成材料工程获得更繁杂功能，提供功能载体，有望在未来实现个性化的、精确的癌症治疗。

【图文导读】

图1 FA-AuNR@RGD-DOX-Exos的性能表征

A)未经修饰的外泌体RGD-Exos-SH和FA-AuNR @ RGD-Exos的流体力学直径分布图和TEM图像

B)流式细胞仪检测未修饰外泌体、AuNR@RGD-Exos、AuNR@RGD-Exos和FA-AuNR@RGD-DOX-Exos上的FA和RGD

C)未修饰的外泌体、AuNR-，RGD-和巯基功能化的外泌体（RGD-Exos-SH），NH₂-AuNR@RGD-Exos和FA-AuNR@RGD-Exos 的紫外可见光谱

D)未修饰的外泌体、RGD-和巯基功能化外泌体(RGD-Exos-SH)和FA-AuNR@RGD-Exos的傅里叶变换红外光谱(FTIR)

图2 AuNR@Exos的光热转换效应

A)水分散的AuNR@Exos (1.0 mg•mL⁻¹)在NIR(808 nm，1.0 W•cm⁻²)辐照下的红外成像

B)AuNR@Exos (1.0 mg•mL⁻¹)在NIR (808 nm, 1.0 W•cm⁻²)辐照下的光热加热曲线

C)NIR照射下AuNR@Exos释放药物示意图

D)不同浓度DOX的紫外-可见光谱

E)AuNR@Exos和外泌体在不同PH值下的释药谱

F)AuNR@DOX-Exos 和AuNRs在NIR (808 nm，1.0 W•cm⁻²，5 min)辐照下的抗肿瘤效果图

G)AuNR@DOX-Exos作用4h后，NIR(808 nm，1.0 W•cm⁻²，6 min)辐照后的HeLa癌细胞荧光图像的研究

H)AuNR@DOX-Exos在NIR辐照下的抗肿瘤效果图

图3 FA-AuNR@RGD-DOX-Exos的体外癌细胞靶向性

A)荧光标记的FA-AuNR@RGD-DOX-Exos共聚焦显微图像，图中蓝色是染色的细胞核，红色是DOX，绿色是FITC标记的R-F/P/Au-DOX-Exos

B)孵育FA-AuNR@RGD-DOX-Exos 4h后，癌细胞的流式细胞检测分析

C)用膜联蛋白V-FITC/PI染色的不同浓度的FA-AuNR@RGD-DOX-Exos孵育的MCF-7和HeLa细胞凋亡的流式细胞检测分析

D)不同浓度DOX包封的FA-AuNR@RGD-DOX-Exos中的MCF-7细胞和HeLa细胞的存活率

E)用ICP-MS法测定含有不同浓度的FA-AuNR@RGD-DOX-Exos细胞中Au的含量

图4 功能化的FA-AuNR@RGD-DOX-Exos在荷瘤小鼠体内的靶向作用

A)左图：小鼠体内注射单配体和双配体功能化AuNR@DOX-Exos的NIR荧光图像；右图：注射48h后，肿瘤及其他主要器官的活体荧光图像

B)癌组织和主要器官中DOX的浓度分布图

C)癌组织和主要器官中Au的浓度分布图

图5 注射FA-AuNR@RGD-DOX-Exos后的HeLa异种移植裸鼠体内荧光显像

A)注射FA-AuNR@RGD-DOX-Exos后不同时间内HeLa异种移植裸鼠体内荧光显像

B)小鼠肿瘤组织中FA-AuNR@RGD-DOX-Exos在808nm (1.0w•cm^-2，10min)光照射下的热成像

C)小鼠肿瘤组织中FA-AuNR@RGD-DOX-Exos在808nm(1.0w•cm^-2，10min) 光照射的光热加热曲线

D)注射48h后，肿瘤及其他主要器官的活体荧光图

图6 荷瘤小鼠实体实验

A)不同纳米载体(生理盐水，FA-AuNR，FA-AuNR@DOX-Exos，FA-AuNR@RGD-Exos和FA-AuNR@RGD-DOX-Exos）和NIR照射后小鼠移植瘤在第4天(左)和第15天(右)的代表性图像

B)在NIR照射下，静脉注射不同的纳米载体后肿瘤的生长曲线

C)实验结束后典型肿瘤的图像

D)荷瘤裸鼠静脉注射不同纳米载体后的累积存活率

E)治疗过程中小鼠体重的变化

F)注射200L不同纳米载体(生理盐水，FA-AuNR，FA-AuNR@RGD-Exos，FA-AuNR@DOX-Exos和FA-AuNR@RGD-DOX-Exos) (5.0mg•mL⁻¹)的小鼠肿瘤切片的TUNEL染色图和NIR (808nm， 1.0W•cm⁻²，6min) 辐射的小鼠肿瘤切片图

【小结】

研究表明，外泌体作为药物释放载体具有一定优势，它不仅可以在细胞间有效运输药物，还可以克服各种生物障碍。然而，外泌体在临床应用中还存在一些挑战，例如开发具有靶向给药和控制药物释放的外泌体。迄今为止，还没有关于同时实现主动靶向和刺激反应受控外泌体方法的报道。为了提高治疗效果和减少副作用，基于双配体修饰，研究开发了一个功能化的AuNR结合外泌体(FA-AuNR@RGD-Exos)，可以作为靶向联合化疗-光热治疗的载体。通过受体介导的内吞作用，构建的外泌体可以高效地聚集在肿瘤部位，具有双配体协同靶向作用。附着在外泌体上的AuNRs能高效地将NIR光转化为热。此外，热还可以通过影响脂质双层和/或跨膜蛋白来促进药物从载体上的释放，从而影响外泌体膜的通透性。值得注意的是，通过远程控制NIR的激光参数(包括光斑大小和激光功率密度)，可以实现快速选择和局部激活。结果表明，FA-AuNR@RGD-Exos在体内外均表现出显著的化学-光热协同效应。作为一种新型的“生物科技药物”载体，具有良好的治疗效果和精确的肿瘤治疗靶向能力。

文献链接：Designer Exosomes for Active Targeted Chemo‐Photothermal Synergistic Tumor Therapy (Adv. Funct. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201707360)

本文由材料人编辑部王飞编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷。