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利用AFM對小細胞外囊泡進行定量納米力學分析

來源:北京心聯(lián)光電科技有限公司   2022年04月27日 11:52  




腫瘤衍生的小細胞外囊泡 (sEV) 的納米力學特性對癌癥進展至關重要。最近,國家納米中心的楊延蓮研究員、王琛研究員、朱凌研究員等人合作的工作以“Quantitative Nanomechanical Analysis of SmallExtracellular Vesicles for Tumor Malignancy Indication”為題發(fā)表于ADVANCED SCIENCE,在原子力顯微鏡 (Dimension FastScan AFM ,Bruker) 上利用納米壓痕在單囊泡水平上定量研究人乳腺癌細胞衍生的 sEVs 的納米力學特性,并探索它們與腫瘤惡性程度和囊泡大小的關系。結(jié)果表明,sEVs的剛度是由sEVs 的彎曲模量和滲透壓共同作用的結(jié)果。剛度和滲透壓隨著sEV惡性程度的增加而增加,并隨著sEV尺寸的增加而降低。彎曲模量隨著sEV惡性程度的增加而降低,并且在較小的sEV中較低。這項研究建立了sEV的納米力學特征與惡性腫瘤之間的關系,為更好地理解癌癥力學生物學提供了更多的參考信息。
 

癌癥機制生物學在腫瘤的進展和轉(zhuǎn)移中起 著重要作用。細胞根據(jù)環(huán)境中的動態(tài)機械 力不斷調(diào)整它們的行為,以維持組織的生理穩(wěn)態(tài)。在惡性轉(zhuǎn)化過程中,由于穩(wěn)態(tài)破壞的機械刺激,細胞的納米力學特性發(fā)生了改變,調(diào)節(jié)細胞的基本行為和微環(huán)境,最終導致腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移。腫瘤的納米力學特征已成為腫瘤發(fā)生和腫瘤進展的診斷標志物。

 

小細胞外囊泡 (sEVs) 是幾乎所有細胞釋放的內(nèi)體衍生的膜囊泡,在各種體液中含量豐富。由于它們攜帶質(zhì)膜和細胞內(nèi)內(nèi)容物,例如來自源細胞的細胞質(zhì)蛋白和核酸,它們的納米力學特性代表了源細胞的納米力學特性。因此,它們可以作為研究腫瘤納米力學的理想模型。sEV作為將蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)運輸?shù)绞荏w細胞的載體。sEV的納米力學特性決定了它們在細胞內(nèi)通信等基本過程中的行為,在細胞外基質(zhì)(ECM) 中的擴散和運輸,以及在循環(huán)過程中對血液流變學的反應,這最終決定了腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移。建立腫瘤來源性sEV的納米力學特征之間的全面通信,有助于闡明sEV在腫瘤進展和轉(zhuǎn)移中的作用,導致癌癥診斷標志物的發(fā)展。此外,sEV具有高生物相容性、低免疫原性和跨越生物障礙的能力,作為藥物傳 遞載體受到越來越多的關注。sEV的納米力學表征為優(yōu)化工程 sEV以提高藥物給藥效率提供了重要的信息。然而,sEV的納 米力學表征一直很少。最近的幾項研究通過測量楊氏模量來 估計腫瘤衍生的sEv的剛度,楊氏模量代表了s的剛度,作為整體彈性球形的模型。
 

最近,一些研究表明,小囊泡的剛度是由納米力學特性(如彎曲模量和滲透壓)的共同貢獻造成的,而這些特性不能單獨用楊氏模量來區(qū)分。腫瘤來源性sEV的個體納米力學特性與惡性轉(zhuǎn)化之間的關系在很大程度上尚不清楚。原子力顯微鏡(AFM)以其高空間分辨率而聞名,并已被用于表征單個EV的動力學及其與生物分子的 相互作用。AFM上的納米壓痕記錄了單個sEV在局部點的納米力學響應,從中可以從力壓痕曲線(FICs)中定量提取單個納米力學因子。sEV在jianduan納米壓痕過程中的納米力學行為反映了sEV在生理和病理環(huán)境下對納米力學刺激的響應。
 

 

圖1,sEV 的納米力學行為。a) 具有代表性的 FIC,顯示了相同 sEV 上隨力增加的連續(xù)壓痕。深色代表接近曲線,淺色代表縮回曲線。b) 第三個 (1.5 nN) 和第六個 (3.0 nN) 壓痕的放大接近曲線。圓圈中的數(shù)字表示 sEV 在不同階段的納米力學行為。c) (b) 中步驟 1-5 中 sEV 對jianduan壓痕的納米力學響應的示意圖:1,納米壓痕開始;2、向內(nèi)束縛力形式;3、jianduan穿透sEV的上膜;4、jianduan穿透sEV的下膜;如圖 5 所示,sEV 的上膜和下膜被推到一起。d) AFM 地形圖像和 e) 在第一個壓痕(橙色)之前和第六個壓痕(粉紅色)之后通過最大高度的相同 sEV 的相應高度剖面。sEV 來源于 MCF-10A 細胞。
 

該研究通過AFM上的納米壓痕在單個囊泡水平上定量表征乳腺癌衍生的sEVs的納米力學特征,并探討它們與腫瘤惡性的相關性。還比較了不同大小的sEV亞群,因為已知sEV的異質(zhì)大小與不同的分子組成和納米力學特性有關,這些特性決定了sEV亞群作為診斷標志物的重要性。證明了sEV的剛度由sEV的彎曲模量和滲透壓的綜合貢獻決定。彎曲模量隨著sEV惡性程度的增加而降低,并且在具有較小尺寸的sEV中較低,而剛度和滲透壓隨著sEV惡性程度的增加而增加,并隨著sEV尺寸的增加而降低。這些結(jié)果闡明了sEV力學生物學在腫瘤進展和轉(zhuǎn)移中的作用,顯示了sEV納米力學特性在評估腫瘤惡性程度方面的潛力。
 

 


 

圖2,ROC)分析顯示了 sEV 的彎曲模量、滲透壓和剛度在區(qū)分惡性和正常 sEV 方面的區(qū)分功效。彎曲模量(黃線)、滲透壓(紫線)和剛度(藍線)的 ROC 曲線,用于區(qū)分來自 a)MCF-10A(N = 149)和 MCF-7 細胞系(N = 133), b) MCF-10A (N = 149) 和 SK-BR-3 細胞系 (N = 125), c) MCF-10A (N = 149) 和 MDA-MB-468 細胞系 (N = 125) , 和 d) MCF-10A (N = 149) 和 MDA-MB-231 細胞系 (N = 135)。
 
參考文獻:Siyuan Ye, Wenzhe Li, Huayi Wang,et al. Quantitative Nanomechanical Analysis of SmallExtracellular Vesicles for Tumor Malignancy Indication. Adv. Sci. 2021, 2100825. DOI: 10.1002/advs.202100825.


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