从NK细胞中收获能杀死癌症的外泌体研究取得重要进展

肺癌是最常见的肺原发性恶性肿瘤，绝大多数肺癌起源于支气管粘膜上皮，故亦称支气管肺癌。肺癌可向四周乃至全身扩散。

近50多年来，世界各国特别是工业发达国家，肺癌的发病率和病死率均迅速上升，死于癌病的男性病人中肺癌已居首位。肺癌目前是全世界癌症死因的第一名，1995年全世界有60万人死于肺癌，而且每年人数都在上升。

而女性患肺癌的发生率尤其有上升的趋势。本病多在40岁以上发病，发病年龄高峰在60～79岁间。男女患病率为2.3:1。种族、家属史与吸烟对肺癌的发病均有影响。

肺癌——当今全球头号癌症杀手

密歇根大学罗杰尔癌症中心和密歇根大学工程学院的研究人员基于新兴疗法开展了人体自然杀伤细胞（NK细胞）来对抗癌症，又向前迈进了一步。

该团队开发了一种被认为是捕获自然杀伤细胞并让它们释放称为外泌体的杀癌包的一种方法。这些纳米级外泌体比自然杀伤细胞（或简称 NK 细胞）小数千倍，因此能够更好地穿透癌细胞的防御。

对来自五名肺癌患者的血液样本进行的一项验证研究表明，该方法能够在微流控芯片上捕获自然杀伤细胞，并利用它们来“培育”NK 外泌体。

根据发表在“Advanced Science”上的研究结果，包括 U-M 工程师和肿瘤学家在内的多学科团队进一步证明，外泌体可以有效杀死细胞培养物中的循环肿瘤细胞。

“外泌体是蛋白质和其他分子的小囊泡，几乎由人体内所有类型的细胞自然释放，”化学工程研究员、该研究的共同主要作者 Yoon-Tae Kang 博士说. “在这种情况下，我们想扩大我们对 NK 外泌体的了解，并尝试利用它们的杀癌潜力。”

他说，与 NK 细胞相比，NK 外泌体更稳定，更容易为治疗目进行修饰。研究指出，该系统还具有帮助诊断和监测癌症的潜力。

长期以来，利用 NK 细胞的机制为研究人员提供了一种可能性。与 T 细胞不同，NK 细胞不必被入侵者特异性抗原启动以击退入侵者。

“然而，基于NK细胞疗法的一个主要瓶颈是，将 NK 细胞注射到患者体内后，它们不擅长渗透到肿瘤微环境中，”共同主要作者、博士生 Zeqi Niu 说。 “NK 细胞衍生的外泌体含有相同的杀癌分子，但它们要小得多，而且能够更好地渗透到肿瘤中。”

联合资深研究作者 Sunitha Nagrath 补充说，虽然之前的少数研究已经检查了 NK 外泌体杀死癌细胞的能力，但还没有一种系统的方法来捕获患者来源的 NK 细胞并使用它们来生成 NK 外泌体。密歇根大学化学工程副教授，罗杰尔癌症中心成员。

“外泌体的优势在于它们是有机的，对我们的身体来说是原生的，”她说。“我们不必制造它们。这种方法的美妙之处在于能够在微流控芯片上捕获 NK 细胞，将它们在芯片上培养一小段时间，然后收集细胞释放的外泌体。”

NK 外泌体采集系统结合了三种技术。首先，研究人员在密歇根大学开发的氧化石墨烯微流控芯片上捕获了 NK 细胞。然后培养细胞，促使它们释放外泌体。

外泌体被称为 ExoBeads 的微小磁珠捕获，这些磁珠表面涂有外泌体特异性抗体；从芯片中取出珠子，然后使用不同的过程将 NK 外泌体与它们分离。同时，该团队使用同样在 U-M 开发的名为 Labyrinth 的液体活检系统，从患者血液样本中分离循环肿瘤细胞，以评估 NK 细胞与外泌体以及循环肿瘤细胞之间的相关性。

这些早期研究工作检查了来自五名肺癌患者和两名健康对照的样本。“我们发现样本中的 NK 细胞越多，循环肿瘤细胞就越少，”Niu说。“我们还发现样本中的肿瘤细胞越多，存在的 NK 外泌体就越多——这表明癌症的存在正在刺激 NK 细胞产生抗癌外泌体。”

其他实验表明，来自患者样本的 NK 外泌体确实能够杀死细胞培养物中的循环肿瘤细胞。

用于芯片上自然杀伤细胞(NK细胞) 分离、NK 细胞衍生的外泌体生物发生以及 NK 外泌体潜在治疗用途，微流体技术方法示意图

循环肿瘤细胞是一种已经脱离原发肿瘤并开始在血液中传播的细胞。然后这些可以通过称为转移的过程在身体的其他地方播种新的癌症。

“当我们第一次开始这项研究时，我们不确定我们是否能够使用芯片和 ExoBeads 产生和收获 NK 外泌体，”Nagrath 说。“或者，如果我们能够足够有效地收集它们以用于潜在的治疗用途。NK 细胞捕获过程，将 NK 外泌体与磁珠分离的过程，创建一种分析来评估外泌体杀死癌细胞的能力——要使这种方法取得成功，必须优化许多组件，每个组件都提出了自己的挑战。”

研究人员指出，外泌体还具有进一步改造和优化的潜力，可以更有效地对抗癌细胞。

下一步的研究工作

Kang说，将需要额外的验证和工作来开发该技术以实现潜在的未来临床用途。

研究中包含的患者样本数量受到 COVID-19 大流行的紧急情况的限制，导致整个密歇根大学校园的实验室暂时关闭。研究人员计划用更多的患者样本继续这项工作。他们还与合作者合作，在小鼠癌症模型中测试外泌体在体内对抗肿瘤的功效。

正在使用该技术从血液中捕获免疫细胞，以便为医生提供有关患者癌症的更多信息。这与大多数液体活检技术不同，后者侧重于捕获和评估循环肿瘤细胞。

研究人员还强调了医生和科学家之间合作在推进研究方面的核心作用。

“针对免疫检查点的免疫治疗方法彻底改变了几种癌症的治疗方法。然而，只有一小部分患者表现出持久的临床益处和治愈表现，”共同资深作者、MBBS 肿瘤学家和内科教授 Nithya Ramnath 说。 “然而，对 NK 细胞本身或与免疫检查点抑制剂联合使用的初步研究只显示出适度的结果。

另一方面，NK 衍生的外泌体能够更有效地进入肿瘤。目前的论文代表了技术进步不仅可以收获 NK 细胞，还可以收获 NK 衍生的外泌体，这有助于为未来的免疫治疗方法提供信息。”

Reference: Kang Y-T, Niu Z, Hadlock T, et al. On-chip biogenesis of circulating NK cell-derived exosomes in non-small cell lung cancer exhibits antitumoral activity. Adv. Sci. 2021. doi:https://doi.org/10.1002/advs.202003747