中文名：利用纳米金颗粒标记外泌体实现体内神经系统内的成像

英文名： In Vivo Neuroimaging of Exosomes Using Gold Nanoparticles

杂志： ACS Nano, 2017

影响因子：13.33

解读人：樊萌博士

摘要： 

目前，外泌体在疾病治疗方面具有巨大的潜在应用前景。外泌体可以作为药物或者基因治疗的载体。并且，外泌体具有穿越生物屏障的能力，例如外泌体能够绕过血脑屏障并将负荷物有效地运输到大脑中。因此，基于外泌体的治疗有可能为各种疾病特别是脑相关疾病提供治疗。然而，目前还缺乏有效的技术手段检测治疗过程中外泌体的分布，特别是深层次脑部结构中的外泌体成像检测。

本文建立了一种基于葡萄糖包被的纳米金颗粒(Gold Nanoparticle, GNP)标记和计算机断层扫描成像的非侵入性体内神经成像和追踪外泌体的方法。同时，研究表明葡萄糖包被的GNP通过葡萄糖转运蛋白GLUT-1介导內吞进入MSC外泌体中，并且该內吞途径依赖于能量。该研究进一步确定了最佳的GNP尺寸以及给药方式：5 nm GNP能够增强外泌体标记；与静脉注射相比，鼻内给药具有更为优异的脑部积累效果，从而增强体内神经成像。此外，与健康小鼠大脑相比，非侵入性鼻内给予的GNP标记的外泌体在局灶性脑缺血的小鼠病变部位的积累显著增加。因此，这种外泌体标记技术可以作为各种脑疾病的强大的诊断工具，并且可能潜在地增强基于外泌体的神经元恢复治疗。

研究结果：

首先，该研究进行了葡萄糖包被的GNP标记外泌体的工作(图1)。该研究制备了5nm和20nm两种尺寸的GNP，然后进行了葡萄糖的包被。同时提取了MSC细胞来源外泌体，并进行了外泌体数量、浓度、直径的检测。然后，在37℃，3h的孵育条件下，进行外泌体的GNP标记。接着，对GNP标记的外泌体进行了发光、尺寸以及Zeta势能指标的检测，确定GNP标记的外泌体的物理特性。

图1 葡萄糖包被的GNP标记的外泌体物理特性的检测

然后，该研究探索了GNP标记外泌体的机制（图2）。该研究利用火焰原子吸收光谱（FAAS）法，分别从反应的温度条件、纳米金包被材料、纳米金颗粒大小、外泌体膜蛋白等几个方面对GNP标记外泌体的机制进行了探索。结果显示，37℃相比4℃的反应条件，外泌体被GNP标记的效率更高，表明外泌体内化GNP依赖于能量的方式。其次，研究发现葡萄糖包被材料，相比于非葡萄糖包被材料（mPEG）,显示出更高的外泌体标记效率，表明GNP标记外泌体的标记效率依赖于包被材料。其次，通过蛋白酶K处理破坏外泌体膜蛋白，能够显著降低外泌体的标记效率，表明外泌体膜蛋白参与GNP的标记过程。接着，该研究进一步确定了葡萄糖转运蛋白GLUT-1直接介导了GNP标记外泌体的过程。此外，该研究发现5nm的GNP相比于20nm，具有更高的标记效率。

图2 影响GNP标记外泌体效率的机制研究

接着，该研究进行了GNP标记的外泌体体内成像实验，探索GNP标记外泌体的应用前景（图3）。该研究首先探索了给药途径对脑部GNP外泌体积累的影响。结果发现，鼻腔内给药相比静脉注射，具有更好的脑部积累效果。

图3 给药方式对脑部GNP标记外泌体成像的影响

然后，针对GNP标记的MSC外泌体的靶向性进行了研究（图4）。结果显示，相比于健康小鼠，非侵入性鼻内给予的GNP标记的外泌体在局灶性脑缺血的小鼠病变部位的积累增加更加显著。

图4 GNP标记的MSC外泌体可以靶向脑损伤组织部位

此外，该研究通过外泌体荧光标记，对GNP标记的外泌体成像结果进行了验证，从而进一步确定了GNP标记外泌体进行脑部外泌体成像技术的可靠性。

创新点：

（1）在体内成像分析外泌体的能力，主要是使用各种光学设备，并且主要用于癌症研究。然而，最常见的荧光和光学成像模式在深部脑结构内追踪外泌体的能力非常有限。该研究首次将纳米金颗粒应用于外泌体的标记，实现了脑部的外泌体成像。

（2）纳米金颗粒可以偶联药物、抗体等，因此极大的丰富了纳米金颗粒外泌体的应用前景。

（3）脑部相关疾病的领先障碍在于血脑屏障，外泌体突破血脑屏障的能力，使得其成为治疗脑部相关疾病的强力工具。

（4）糖蛋白包被的纳米金颗粒标记外泌体，本质是利用外泌体膜上的糖转运蛋白GLUT-1。该研究也是第一篇利用外泌体表面通道或转运蛋白来实现外泌体内部装载特定成分的报道。可能存在更多的外泌体表面通道蛋白或转运蛋白。因此，可以利用蛋白质组学，筛选和鉴定更多的外泌体表面通道蛋白或转运蛋白。