细胞外囊泡（EVs）是细胞间通讯的基石，具有十分有前景的基础、临床和更广泛的生物技术应用。然而，由培养条件导致的EV成分的变化，对基础和应用构成了重大挑战，并成为扩大生产的障碍。因此，了解EV生产、临床应用、制造和EV组成之间的关系被认为是重要和必要的。来自美国特拉华大学的研究人员特别关注了生物力学应力的影响，综述了生物力学应力在EV发生、形成、组成、活性和扩大生产中的影响。相关内容以“The role of biomechanical stress in extracellular vesicle formation, composition and activity”为题于4月25日在线发表在生物技术领域国际顶级期刊Biotechnology Advances杂志上。
图：异常的生物力学应力的情况对EV货物在体内装载的影响
细胞外囊泡（EVs）曾被认为是细胞排出废物的方式，但EV目前被认为是细胞间通讯不可或缺的组成部分。与凋亡小体不同，这些囊泡将核酸、蛋白质和脂质货物包裹在脂质双层膜中，传统上可分为两大类：外泌体和微粒。较小的外泌体通过多泡体（MVBs）向内出芽产生，并随着这些多泡体的胞吐而释放到细胞外空间。较大的微粒是直接从质膜向外出芽形成的。尽管如此，外泌体、微粒在大小分布上重叠，通过生物发生的不同也难以进行准确分类。因此，这篇综述应用术语“EV”代替文献里使用的其他命名，除非外泌体或微粒富集的样品显示不同的表型。EV通常特异性地与靶细胞结合，随后通过内吞作用或膜融合被内化，EV的货物递送通常会影响受体细胞的表型变化。
一些化学刺激和培养条件（如细胞密度）会影响EV的生物学特性，但生物力学对EV的产生、特性和生物活性的影响仍知之甚少。鉴于生物力学在EV制备和生物制造中无处不在，扩大对EV组成和活性影响的理解是至关重要的。一些文献已经研究了EV的制备和生物加工，并简要讨论了生物力学应力作为感兴趣的变量，但这篇综述是首次全面评估了这些生物力学应力对EV生产、组成和生物活性的影响。研究人员回顾了EV的生物发生、载货量、功效和摄取如何受到不同类型、大小和持续时间的生物力学应力的独特影响。研究人员还描述了可扩展生物处理的影响，评估了常见EV生产和分离方法中固有的过程，并提出了严格EV质量控制的未来方向。综述主要的内容涵盖了：1. 细胞外囊泡、外泌体、微粒及其新出现的临床应用；2. 生物流体和生物反应器中的生物力学应力；3. 生物力学应力对EV生物发生和释放的影响；4. 生物力学应力对EV载货和组成的影响；5. 生物力学应力对EV吸收和货物运送的影响；6. 生物力学应力是否影响并使EV的分离和纯化复杂化；7. EV扩大生产的考虑问题。
同时，研究人员对生物力学应力和EV生物学的未来发展和应用进行了探讨。许多亲本细胞种类——包括白细胞和红细胞——来源的EV几乎完全未被探索，而外泌体（例如来自间充质干细胞、成纤维细胞和肿瘤）或微粒（例如来自血小板）被专门进行了研究，而没有考虑过其他EV亚型。考虑到机械应力可能以不同的方式介导EV货物装载和释放的程度，对上述亚型的详细研究尤为重。此外，尽管已经了解了EV货物在机械应力下装载的基本特征，但所述装载所涉及的细胞机制几乎完全未被探索。机械应力对EV摄取的影响同样知之甚少，大多数相关的现有文献未能充分区分EV与靶细胞的碰撞、粘附和内化。在这方面，通过膜融合的内化是特别需要研究的。然而，体外和体内大量持续的EV交换可以快速持续地改变细胞表型，这一现象在很大程度上受到机械应力的影响。
EV糖基化是影响EV生物发生、载货量、吸收和生物活性的关键因素。虽然还没有发表的数据将亲本细胞上的生物力学应力与EV中不同的糖基化联系起来，但这种力是多种细胞类型（包括血小板和CHO细胞）中糖基化的已知介质。事实上，尽管这种现象的机制尚不清楚，但EV分离方法已经与EV蛋白糖基化差异有关。考虑到这一点，生物力学应力对EV蛋白糖基化的影响是实质性的，就像应力诱导的蛋白质和miRNA货物的变化一样值得未来的研究。
关于生物力学应力对来自基因工程细胞的EV的影响的研究非常缺乏。虽然Pironti等人观察到HEK293T细胞在低渗应激后，过表达的AT1R货物的EV装载量增加，但这种现象是否会在其他过表达的生物分子或其他细胞中观察到类似的现象尚不清楚。因此，专门针对EV生物发生、货物装载和摄取途径的基因工程尤其重要。这些方法可能为调节生物力学力对EV生物学的影响提供了一条途径，从而弥补了EV生物制造中固有的一些质量控制问题。
随着基础研究的不断扩展，我们越来越希望将实验室发现扩展到工业规模的生物反应器中的复杂流体中。必须严格监测常见介质添加剂（如剪切保护剂）和处理步骤（如EV分离）对EV生物学的影响。同时建议EV生产的任何质量控制工作都必须额外考虑细胞对机械应力反应的时间依赖性。也就是说，随着培养物的生长和老化以及EV交换的进行，细胞可能会对压力变得或多或少敏感，并改变其EV输出量，从而影响EV产品质量。
参考文献：The role of biomechanical stress in extracellular vesicle formation, composition and activity. Biotechnol Adv. 2023 Apr 25;66:108158.
