2019年诺贝尔生理学或医学奖授予癌症学家William G. Kaelin，临床医学家Gregg L. Semenza和Peter J. Ratcliffe，以表彰他们在细胞如何感知和适应供氧环境变化机制方面所作出的贡献。三位科学家的研究阐明了人类和大多数动物细胞在分子水平上感受氧气含量的基本原理，揭示了一个至关重要的信号机制，为肿瘤等多种疾病的治疗开辟了新途径。
治疗肿瘤的缺氧区域仍然是一项重大挑战，这些区域与更具侵略性的癌症表型和更差的预后相关。因此，成像和治疗这些缺氧区域是有效癌症治疗的重要临床挑战。这项研究的目的是开发一个外泌体平台，该平台可以靶向肿瘤缺氧区域，且使用磁粒子成像（MPI）在体内进行监测。从MDA-MB-231人乳腺癌细胞中分离出四种类型的外泌体（在低氧或常氧条件下产生，并具有或不具有X射线辐射）。外泌体用荧光亲脂示踪剂DiO标记，以定量低氧癌细胞对它们的摄取。随后，将外泌体修饰为携带SPIO（超顺磁性氧化铁）纳米颗粒和Olaparib（PARP抑制剂）。流式细胞荧光分选技术和荧光显微镜检查显示，与其他外泌体制剂相比，低氧细胞优先摄取由低氧细胞释放的外泌体。此外，使用MPI在体内连续成像了SPIO标记的外泌体的分布。最后，通过体内增加的凋亡和较慢的肿瘤生长证明了装载Olaparib外泌体的治疗效果。新型的治疗学平台可以用作监测体内外泌体并为低氧肿瘤提供治疗的有效策略。
磁粒子成像（MPI）是一种新兴的非侵入性层析成像技术，可直接对体内超顺磁性氧化铁（SPIO）纳米粒子的分布进行成像。这种技术具有显著的优势，例如亚微摩尔级别灵敏度，高空间分辨率和缺少电离辐射等。这项工作是首次报道了MPI在体内跟踪外泌体。
对于体内应用，SPIO标记并修饰的外泌体可以进行MPI成像。用SPIO标记的细胞和外泌体在体外具有明显不同的颜色（图1A）。MPI图像还显示，用SPIO转染的细胞和外泌体具有较强的MPI信号（图1B）。MPI信号随外泌体的数量线性增加（图1C）。使用透射电子显微镜（TEM），验证了SPIO纳米颗粒已连续封装在转染的外泌体中（图1A）。另外，SPIO转染前后外泌体大小无显着差异（图1B）。此外，进行了血清稳定性测定以显示在4小时和24小时外泌体的大小分布没有显著变化（图2）。最后，为了验证在体内成像外泌体的可行性，将SPIO标记的外泌体静脉注射到健康小鼠体内，然后进行MPI / CT成像（图1C）。体内和离体图像显示外泌体主要在肝脏中积累。
图1 MPI追踪活体内的纳米颗粒（SPIO）标记的外泌体。（A）TEM图像显示了SPIO纳米颗粒在囊泡中的成功封装。（B）在SPIO标记后，NanoSight纳米颗粒尺寸分布显示出外泌体尺寸无明显差异。（C）外泌体的MPI和MicroCT图像显示了健康小鼠体内和离体的分布。
为了证实在体内使用这些外泌体进行药物递送的治疗功效，每两天对带有MDA-MB-231异种移植物的小鼠进行瘤内注射PBS（媒介物），装载Olaparib的外泌体或Olaparib。使用MPI成像，验证了将外泌体成功施用到肿瘤中（图2A）。在该治疗后两周，观察到与对照相比，用Olaparib装载的外泌体和Olaparib治疗的肿瘤生长显著延迟，表明装载Olaparib的外泌体的治疗效果。
图2 装载Olaparib的外泌体在小鼠肿瘤模型中的治疗效果。为评估装载Olaparib的外泌体在肿瘤异种移植小鼠中的治疗效果，在瘤内注射PBS，装载Olaparib的外泌体和之后测量肿瘤大小。与对照组相比，处理了装载Olaparib的外泌体的小鼠表现出较慢的肿瘤生长，证实了外泌体的治疗效果。
世界上许多研究团队已经通过荧光成像（亲脂示踪剂（例如DiR）或荧光染料（例如Cy7）），生物发光成像和放射性同位素成像对小鼠模型中外泌体的分布进行了成像。然而，由于低的组织穿透性，低的灵敏度，低的分辨率和/或电离辐射的使用，这些成像方法在临床应用中用途有限。为了克服这些局限性，开发了使用MPI在体内非侵入性跟踪外泌体的新方法。MPI的优势之一在于使用SPIO纳米颗粒进行示踪。这些纳米粒子对人类使用非常安全，它们提供了持久的对比度，并且已被用于许多MRI T2成像应用。SPIO纳米粒子与MPI的结合使用可实现比MRI更高的对比度，灵敏度和定量的体内图像采集。与放射性同位素方法相比，MPI示踪剂是非电离的，经FDA批准，可临床使用。
参考文献：
Kyung O J, Hunho J, Jung H Y, Sanjiv S G, Guillem P. Development and MPI tracking of novel hypoxia-targeted theranostic exosomes. Biomaterials, 2018.
