細胞外囊泡廣泛存在於迴圈系統中，能夠介導細胞間通訊，在細胞外基質中擴散從而調節腫瘤微環境。細胞外囊泡的機械性質影響其生物學功能，從而影響對目標細胞的改造效果。此外，囊泡的機械性質還會影響其穿越細胞外基質的過程，這對其向遠端傳遞生物資訊十分重要。細胞在惡變過程中力學性質的改變引起細胞行為和腫瘤微環境的改變，最終決定腫瘤侵襲和轉移。細胞外囊泡是細胞分泌的奈米級膜囊泡，攜帶和傳遞來源細胞的磷脂膜及胞漿蛋白和核酸等內容物，反映來源細胞的分子生物資訊和力學性質，被認為是穩定迴圈的生物標誌物，也是理想的細胞力學研究模型。細胞外囊泡的生物力學性質決定其在迴圈系統、腫瘤微環境以及細胞分泌和攝取等細胞間通訊過程中的行為，最終影響腫瘤進展和轉移。
近年來，關於細胞外囊泡生物力學性質的研究較少，以楊氏模量作為評估指標而表觀地分析囊泡的剛度，缺乏對囊泡內在奈米力學性質，如彎曲模量和滲透壓等對囊泡剛度的探討。在該工作中，中國科學院國家奈米科學中心研究員楊延蓮和王琛等利用原子力顯微鏡在單個細胞外囊泡水平上研究了其力學行為，剖析了囊泡的內在奈米力學性質，透過設計奈米壓痕實驗研究了彎曲模量和滲透壓等對囊泡剛度的影響，並透過建立新的力學模型對囊泡的力學行為進行定量分析。透過比較不同惡性程度和不同大小的細胞外囊泡，研究建立了細胞外囊泡奈米力學性質與腫瘤惡性程度以及尺寸大小的關係，這有助於建立以細胞外囊泡奈米力學性質為生物標誌物的腫瘤惡性程度評估方法和標準。另外，細胞外囊泡具有高生物相容性、低免疫原性等特點，因此被越來越多地用作一種藥物遞送載體。研究細胞囊泡的生物力學性質可為設計和最佳化以細胞外囊泡為基礎的奈米藥物載體，透過調節其剛度從而提高藥物遞送效率提供幫助。
楊延蓮課題組長期致力於開發腫瘤檢測及治療的新方法，前期提出了微球輔助流式細胞術方法來檢測血液來源的小細胞外囊泡，並將該方法拓展應用於乳腺癌（Small methods. 2018;2(11):1800122）、腦膠質瘤（Theranostics,2019;9(18): 5347-58），垂體瘤（Analytical Chemistry, 2019;91(15): 9580-89）等多種腫瘤的液體活檢分析當中，取得了較好的檢測效果，實現了多種癌症的臨床診斷和分子分型，在臨床上具有廣泛應用前景。在此標誌性蛋白分型的基礎上，考慮到小細胞外囊泡在腫瘤轉移中的力學性質差異，研究人員構建了新模型對AFM典型力曲線資料進行分析，結合小細胞外囊泡的尺寸異質性，實現了對不同惡性程度以及同一來源不同大小囊泡的奈米力學性質差異分析。
研究工作得到國家重點研發計劃奈米專項，國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究計劃、中科院戰略性先導科技專項（B類）和中科院青年創新促進會的支援。
基於AFM的奈米壓痕示意圖及彎曲模量隨小細胞外囊泡惡性程度和尺寸變化的規律
來源：中國科學院國家奈米科學中心
