近期，中国科学院深圳先进技术研究院的杨慧研究员团队提出了一种微流控芯片技术，工程化改造了间充质干细胞，并显著提高了干细胞外囊泡的分泌量。该工作以“Mechanical stimulation on a microfluidic device to highly enhance small extracellular vesicle secretion of mesenchymal stem cells” (DOI: doi.org/10.1016/j.mtbio.2022.100527) 为题发表在生物医学工程领域国际著名期刊Materials Today Bio上。论文的共同第一作者为深圳先进院客座博士生郝锐、博士生胡师，通讯作者为杨慧研究员，共同通讯作者为厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院的郭航教授。
细胞外囊泡 (Extracellular vesicles, EVs) 是一种由细胞分泌到胞外环境或体液中的微纳米级膜性生物颗粒，于1983年在体外培养绵羊网织红细胞时被发现。在相当长的一段时间里，EVs被认为是“清洁工人”，只负责清理细胞内部的代谢废物，但随着科学研究的不断深入，其功能和特性才逐渐被科学家们所认识。2013年，诺贝尔生理学或医学奖颁发给James E. Rothman、Randy W. Schekman以及Thomas C. Südhof三位科学家，以表彰他们对“细胞内囊泡运输调节机制”的发。囊泡运输构建了人体生理学和病理学过程中的“智慧物流运输系统”，负责体内细胞间的物质递送、信息通讯等基本生命过程。因此，EVs被视为重要的生物标志物和天然的运载工具，在智能药物递送、重大疾病精准诊疗等领域展现了巨大的应用潜力。
图1细胞外囊泡(EVs)的示意图
然而在常规的细胞培养条件下，供体细胞往往存在分泌效率有限、囊泡产量低等技术痛点，尤其是扩增能力十分有限的间充质干细胞，极大的限制了EVs的科学研究和应用转化。为了提高EVs的分泌量，常规的技术手段包括分子调控、乙醇处理等生化策略，因其依赖于生化试剂添加物，极易改变供体细胞的生理状态，影响EVs的功能性和安全性。为了应对这一挑战，杨慧团队提出了一款名为“种子SEED芯片 (Small Extracellular vEsicles Developer)”的微流控编辑平台，寓意：播种细胞而收获囊泡，通过高通量且无损伤的机械刺激细胞，显著提高EVs的分泌量。
图2 “种子SEED芯片”的示意图及增强EVs分泌量的原理图
“种子SEED芯片”技术方案，借助微流控芯片技术可在微观尺度 (10-6米，相当于1/100的头发丝直径) 下精确控制和操控微流体的特点，可以将物理场作用定位到细胞尺度，实现对供体细胞的高通量且高精度的机械处理，并维持供体细胞的正常生长状态。进一步，基于MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 微纳制程工艺，在芯片内部引入“鱼骨型”微阵列结构，周期性机械挤压且无损伤刺激细胞，极大的增强EVs的分泌量。研究采用胎儿骨髓间充质干细胞作为实验对象，成功使EVs的产量提高了数倍，并以人角膜损伤模型为例，验证了此技术生产的EVs能够有效促进角膜上皮损伤修复。
图3 胎儿骨髓间充质干细胞分泌EVs的表征，(A-B) EVs的形态观察，(C) EVs的特征蛋白分析，(D) 单个细胞分泌EVs的数量测量，(E) 单个细胞分泌EVs的蛋白定量，(F-G) EVs的尺寸分布，(H) EVs的角膜上皮伤口愈合相关微小RNA表达分析
综上所述，该研究成功构建了高效生产EVs的新范式，为推动干细胞外囊泡应用于组织再生医学研究及临床转化提供了新助力。未来，基于微流控芯片技术增强EVs的新策略还有望发展成为一种平台型工具，并与胞内递送研究相结合，提高EVs产量的同时，将具有生物学意义和临床治疗作用的外源物质包裹到外囊泡中，为外囊泡装载研究以及精准治疗应用提供新的技术支持。
参考文献：
Mechanical stimulation on a microfluidic device to highly enhance small extracellular vesicle secretion of mesenchymal stem cells. Materials Today Bio 18 (2023), 100527. https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2022.100527
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