《Nature Communications》發(fā)布的一篇研究揭示了細胞外囊泡在血管和體液中運輸任務時，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)境中應對電信號的變化，從而保持細胞膜的穩(wěn)定。

近年來細胞外囊泡被認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制。

俄亥俄州立大學的研究團隊發(fā)現(xiàn)這些囊泡中含有一種離子通道——一種能打開通道以讓電荷通過保護性外膜的蛋白質(zhì)。這一過程對于維持囊泡內(nèi)部內(nèi)容物和環(huán)境的穩(wěn)定至關重要。

動物實驗還表明，離子通道對囊泡內(nèi)的貨物有影響，這意味著這一蛋白質(zhì)不僅對細胞外囊泡（EV）的結(jié)構(gòu)重要，也對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分子對心臟功能不良的小鼠的影響。只有通過具有離子通道的EV傳遞的分子能夠修復心臟損傷。

圖片信息：外泌體圖示，外泌體是一種細胞外囊泡，可將蛋白質(zhì)和其他分子從供體細胞輸送到受體細胞，以改變生理和生物反應。

俄亥俄州立大學醫(yī)學院生理學與細胞生物學教授Harpreet Singh與急救醫(yī)學教授Mahmood Khan共同領導了這項研究。

“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該有離子通道的基本假設開始，到最終證明這些囊泡能攜帶不同的貨物，這些貨物對細胞——在這種情況下是心臟——的保護或傷害，我們完整地講述了這個故事。”

細胞外囊泡能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)和其他分子從供體細胞轉(zhuǎn)運到受體細胞，從而改變生理和生化反應。

Singh以他在離子通道研究方面的專長，預測EV必須具備離子通道，以便安全地將分子從細胞內(nèi)部轉(zhuǎn)運到細胞外環(huán)境中再到另一種細胞內(nèi)。否則，它們的膜可能因為水的涌入而破裂，這種現(xiàn)象可能由滲透壓或沖擊引起，正負電荷在不同環(huán)境中變化。

“從我們的經(jīng)驗和過去一百年所做的卓越工作中，我們知道，離子通道對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。鉀是細胞內(nèi)最豐富的正離子，但在細胞外環(huán)境中的濃度則低至其的三十分之一。

“當一個細胞外囊泡從高濃度的鉀突入低濃度的鉀環(huán)境時，如果無法維持離子平衡，會發(fā)生什么？你將感受到滲透壓的沖擊，”Singh表示。

在這項研究中，研究人員從小鼠中分離出EV，樣本由汗提供，其實驗室專注于通過干細胞技術(shù)修復受損的心臟肌肉。

由于這些顆粒極其微小，科學家們開發(fā)了一種被稱為近場電生理學的新技術(shù)，用以記錄EV膜中的電流。這一方法證實了鈣激活大導電鉀通道（BKCa）的存在。

他們進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已知能夠應對氧化壓力，進而保護心臟，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)引導了Khan實驗室的動物實驗，在實驗中，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)。

“來自正常小鼠的EV有效地保護了心臟，”Singh說。“而來自缺失BK基因小鼠的EV則未能有效保護心臟，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)生負面影響。”

“貨物的不同是因為包裝的差異，還是因為缺乏通道的囊泡無法存活？這一問題仍未解決，我們正在積極研究。”

另一個主要未解之謎是識別能夠在囊泡從外部環(huán)境重新進入高鉀環(huán)境的細胞內(nèi)時，維持離子平衡的轉(zhuǎn)運蛋白。

Singh認為，除了增加對細胞外囊泡基礎知識的理解，這項工作還有望推動其在未來作為技術(shù)發(fā)展的應用。

“人們談論將這些囊泡裝載帶電分子——無論是藥物、RNA蛋白還是其他分子。如果你裝載的是帶電分子而又無法管理離子平衡，可能會引發(fā)一些問題，”Singh說。“這就是我們的主要觀點，若在進行EV的生物工程設計，就必須有合適的離子通道和轉(zhuǎn)運體的組合。”

雜志：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-55379-4