《Nature Communications》發(fā)布的一篇研究揭示了細(xì)胞外囊泡在血管和體液中運(yùn)輸任務(wù)時(shí)，保持結(jié)構(gòu)完整的奧秘：一種特殊的蛋白質(zhì)能夠在不同生物環(huán)境中應(yīng)對(duì)電信號(hào)的變化，從而保持細(xì)胞膜的穩(wěn)定。
近年來(lái)細(xì)胞外囊泡被認(rèn)為是新型藥物輸送系統(tǒng)的理想載體。然而，直到目前，研究人員仍未完全了解它們的工作機(jī)制。
俄亥俄州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這些囊泡中含有一種離子通道——一種能打開(kāi)通道以讓電荷通過(guò)保護(hù)性外膜的蛋白質(zhì)。這一過(guò)程對(duì)于維持囊泡內(nèi)部?jī)?nèi)容物和環(huán)境的穩(wěn)定至關(guān)重要。
動(dòng)物實(shí)驗(yàn)還表明，離子通道對(duì)囊泡內(nèi)的貨物有影響，這意味著這一蛋白質(zhì)不僅對(duì)細(xì)胞外囊泡（EV）的結(jié)構(gòu)重要，也對(duì)其功能具有重要作用。研究人員比較了含有和不含膜蛋白的EV所傳遞的RNA分子對(duì)心臟功能不良的小鼠的影響。只有通過(guò)具有離子通道的EV傳遞的分子能夠修復(fù)心臟損傷。
圖片信息：外泌體圖示，外泌體是一種細(xì)胞外囊泡，可將蛋白質(zhì)和其他分子從供體細(xì)胞輸送到受體細(xì)胞，以改變生理和生物反應(yīng)。
俄亥俄州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)教授Harpreet Singh與急救醫(yī)學(xué)教授Mahmood Khan共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。
“我們不僅發(fā)現(xiàn)了這些囊泡中的離子通道，而且首次記錄了功能性的離子通道，”Singh表示。“我們從提出這些囊泡應(yīng)該有離子通道的基本假設(shè)開(kāi)始，到最終證明這些囊泡能攜帶不同的貨物，這些貨物對(duì)細(xì)胞——在這種情況下是心臟——的保護(hù)或傷害，我們完整地講述了這個(gè)故事。”
細(xì)胞外囊泡能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)和其他分子從供體細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)到受體細(xì)胞，從而改變生理和生化反應(yīng)。
Singh以他在離子通道研究方面的專長(zhǎng)，預(yù)測(cè)EV必須具備離子通道，以便安全地將分子從細(xì)胞內(nèi)部轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外環(huán)境中再到另一種細(xì)胞內(nèi)。否則，它們的膜可能因?yàn)樗挠咳攵屏?，這種現(xiàn)象可能由滲透壓或沖擊引起，正負(fù)電荷在不同環(huán)境中變化。
“從我們的經(jīng)驗(yàn)和過(guò)去一百年所做的卓越工作中，我們知道，離子通道對(duì)于維持任何具有膜結(jié)構(gòu)的物體是極其重要的，”Singh指出。
以電解質(zhì)鉀為例。鉀是細(xì)胞內(nèi)最豐富的正離子，但在細(xì)胞外環(huán)境中的濃度則低至其的三十分之一。
“當(dāng)一個(gè)細(xì)胞外囊泡從高濃度的鉀突入低濃度的鉀環(huán)境時(shí)，如果無(wú)法維持離子平衡，會(huì)發(fā)生什么？你將感受到滲透壓的沖擊，”Singh表示。
在這項(xiàng)研究中，研究人員從小鼠中分離出EV，樣本由汗提供，其實(shí)驗(yàn)室專注于通過(guò)干細(xì)胞技術(shù)修復(fù)受損的心臟肌肉。
由于這些顆粒極其微小，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種被稱為近場(chǎng)電生理學(xué)的新技術(shù)，用以記錄EV膜中的電流。這一方法證實(shí)了鈣激活大導(dǎo)電鉀通道（BKCa）的存在。
他們進(jìn)一步從正常小鼠和缺失BK鉀通道基因的小鼠中分離EV，發(fā)現(xiàn)缺失基因的小鼠EV中的貨物在數(shù)量和大小上顯著不同，這表明BKCa通道可能發(fā)揮了功能性作用。
正常小鼠囊泡中含有的幾段小RNA已知能夠應(yīng)對(duì)氧化壓力，進(jìn)而保護(hù)心臟，而缺乏BK通道基因的小鼠EV所攜帶的則是一組不同的microRNA。
這一發(fā)現(xiàn)引導(dǎo)了Khan實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中，正常小鼠和缺失BK基因的小鼠的EV被注入患病小鼠體內(nèi)。
“來(lái)自正常小鼠的EV有效地保護(hù)了心臟，”Singh說(shuō)。“而來(lái)自缺失BK基因小鼠的EV則未能有效保護(hù)心臟，反而讓情況更加惡化。這些囊泡中富含的有害microRNA，表明它們可能產(chǎn)生負(fù)面影響。”
“貨物的不同是因?yàn)榘b的差異，還是因?yàn)槿狈νǖ赖哪遗轃o(wú)法存活？這一問(wèn)題仍未解決，我們正在積極研究。”
另一個(gè)主要未解之謎是識(shí)別能夠在囊泡從外部環(huán)境重新進(jìn)入高鉀環(huán)境的細(xì)胞內(nèi)時(shí)，維持離子平衡的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。
Singh認(rèn)為，除了增加對(duì)細(xì)胞外囊泡基礎(chǔ)知識(shí)的理解，這項(xiàng)工作還有望推動(dòng)其在未來(lái)作為技術(shù)發(fā)展的應(yīng)用。
“人們談?wù)搶⑦@些囊泡裝載帶電分子——無(wú)論是藥物、RNA蛋白還是其他分子。如果你裝載的是帶電分子而又無(wú)法管理離子平衡，可能會(huì)引發(fā)一些問(wèn)題，”Singh說(shuō)。“這就是我們的主要觀點(diǎn)，若在進(jìn)行EV的生物工程設(shè)計(jì)，就必須有合適的離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體的組合。”
雜志：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-024-55379-4
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