在再生醫(yī)學(xué)的前沿領(lǐng)域,外泌體(Exosomes)正成為精準(zhǔn)遞送藥物的“明星載體”。然而,如何在直徑僅約100 nm的微小囊泡上,精準(zhǔn)確認(rèn)配體的裝載及其空間分布成為研究難點(diǎn),傳統(tǒng)成像技術(shù)受衍射極限限制難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)表征。Abbelight 3D 全自動外泌體熒光檢測分析系統(tǒng)憑借超分辨成像技術(shù),成為破解這一難題的關(guān)鍵工具,為廣州實(shí)驗室曾永昇 / 楊令延課題組的工程化外泌體研究提供了核心技術(shù)支撐,助力其相關(guān)成果連續(xù)發(fā)表于《Nature Communications》和《Journal of Extracellular Vesicles》。
該課題組利用3D全自動外泌體熒光檢測分析系統(tǒng),依托dSTORM單分子定位技術(shù),在單分子水平上清晰解析工程化外泌體的構(gòu)造特征,為高效激活WNT信號通路、推動肝臟與腸道修復(fù)研究提供了直觀且精準(zhǔn)的形態(tài)學(xué)證據(jù)。作為納米尺度外泌體研究的專業(yè)工具,3D全自動外泌體熒光檢測分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對單個外泌體的全面表征,可準(zhǔn)確獲取單個外泌體的三維結(jié)構(gòu)、粒徑大小以及其膜蛋白/內(nèi)容物的分布情況,既是超分辨圖像的生成器,更是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的核心驗證者,其核心技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在三方面:
突破衍射極限,納米級高清解析:提供~20 nm納米超高分辨率,打破傳統(tǒng)光學(xué)成像的技術(shù)限制,讓100 nm的外泌體結(jié)構(gòu)從模糊的光點(diǎn)變?yōu)榍逦募{米級成像,實(shí)現(xiàn)單分子水平的精準(zhǔn)觀測;
3D精準(zhǔn)定位,區(qū)分空間分布:特有的三維成像技術(shù),可捕捉軸向精準(zhǔn)信息,在不穿透、不破壞外泌體膜結(jié)構(gòu)的前提下,準(zhǔn)確區(qū)分蛋白質(zhì)在囊泡表面或內(nèi)部的空間定位,為功能機(jī)制研究提供直接依據(jù);
大視野批量分析,提供統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù):具備大視野檢測能力,可同時對成百上千個外泌體進(jìn)行成像與分析,突破單一樣本觀測的局限性,為研究提供具有統(tǒng)計學(xué)意義的單分子數(shù)據(jù)。
單外泌體2D(左)和3D(右)的成像
單外泌體粒徑分析與marker表征
3D全自動外泌體熒光檢測分析系統(tǒng)
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WNT信號通路是調(diào)節(jié)組織形態(tài)發(fā)生和再生的核心路徑。WNT配體與RSPO蛋白作為強(qiáng)效共激活因子,在肝臟和腸道的干細(xì)胞穩(wěn)態(tài)中起著關(guān)鍵作用。但天然蛋白存在穩(wěn)定性差、易聚集等問題,研究團(tuán)隊因此開發(fā)了一系列工程化外泌體作為遞送載體。但挑戰(zhàn)隨之而來:如何證明這些配體(如WNT3A、RSPO1)確實(shí)成功裝載到了外泌體上?它們是包裹在內(nèi)部還是錨定在表面?兩個配體是在同一個外泌體上,還是分屬于不同的囊泡?
研究組首先以一種名為Wntless (WLS)的八次跨膜蛋白作為外泌體骨架蛋白[1],增加了純化外泌體上的WNT3A配體水平,提升了誘導(dǎo)WNT信號的活性。進(jìn)一步實(shí)驗證實(shí),分別裝載了RSPO1外泌體和WNT3A的外泌體具有協(xié)同作用,可增強(qiáng)WNT信號激活,誘導(dǎo)肝內(nèi)胚層細(xì)胞向肝祖細(xì)胞的轉(zhuǎn)變;RSPO1外泌體也能夠調(diào)節(jié)腸道干細(xì)胞的增殖,支持腸道的再生。為確認(rèn)RSPO1在外泌體上的定位,研究組使用dSTORM超分辨成像技術(shù),在不透過及破壞外泌體膜結(jié)構(gòu)的前提下,確定RSPO1位于外泌體的表面(圖1)。這一發(fā)現(xiàn)為RSPO1通過與靶細(xì)胞表面受體直接結(jié)合而激活信號通路提供了堅實(shí)的形態(tài)學(xué)證據(jù)。
dSTORM超分辨三維圖像顯示RSPO1位于外泌體表面
然而,在體內(nèi)同步遞送兩種不同的外泌體具有挑戰(zhàn)性,這凸顯出了開發(fā)同時負(fù)載WNT3A和RSPO1的外泌體的必要性。因此,研究組構(gòu)建了生產(chǎn)同時負(fù)載WNT3A和RSPO1的外泌體的細(xì)胞。為確認(rèn)細(xì)胞分泌的外泌體同時含有兩種蛋白,研究組再次使用dSTORM超分辨成像,證實(shí)了兩種蛋白存在于同一外泌體上(圖2)[2]。
圖2 dSTORM超分辨三維圖像顯示W(wǎng)NT3A和RSPO1
位于同一外泌體上
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通過進(jìn)一步實(shí)驗發(fā)現(xiàn),WNT3A/RSPO1外泌體具有在在體內(nèi)誘導(dǎo)WNT信號的能力,有效挽救急性肝損傷,恢復(fù)肝功能和生理狀態(tài);RSPO1外泌體也可在腸道組織中誘導(dǎo)WNT/β-catenin信號活性,促進(jìn)腸道損傷后的組織再生,具有作為靶向衰老腸道的新型抗衰老治療藥物的潛力。研究組使用系統(tǒng)的工程化方法開發(fā)出負(fù)載WNT配體和RSPO蛋白的外泌體,突顯了利用工程化外泌體克服生物分子向靶細(xì)胞遞送挑戰(zhàn)以進(jìn)行治療應(yīng)用的巨大潛力。
參考文獻(xiàn):
[1] Yang, L., Wang, S., Qiao, Z., Liu, Y., Wang, X., Liu, L., ... & Chan, Y. S. (2025). Dual-ligand engineered exosome regulates WNT signaling activation to promote liver repair and regeneration. Nature Communications, 16(1), 9019.
[2] Yang, L., Wang, X., Wei, X., Yu, P., Liu, Y., Wang, S., ... & Chan, Y. S. (2026). Oral Delivery of R‐spondin1‐Loaded Small Extracellular Vesicles Activates WNT Signalling Pathway to Accelerate Intestinal Injury Repair and Reverse Ageing. Journal of Extracellular Vesicles, 15(1), e70226.
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