-20℃还是-80℃?冻干技术让外泌体获得更长久的稳定性

 
点击 63回复 0 原帖 07-01 20:15 IP属地 江苏南京

近年来,随着外泌体的研究热度持续升温,关于外泌体在不同领域的论文报道层出不穷,外泌体的临床应用也涌现出很多的成功案例,不断有基于外泌体技术的产品问世。


尽管越来越多的科研实验证实外泌体用于临床应用的有效性,但如何稳定保存外泌体、怎样可以不丧失其功能性显得尤为重要,甚至成为了评判一款外泌体产品优劣的关键性因素。


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外泌体的常规储存条件

在常规的实验中,对于外泌体的存储条件一般是4℃、-20℃、-80℃。尽管已有一些研究表明不同的储存条件对外泌体的功能存在影响,但外泌体的保存条件的标准仍未定义有统一定论。

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为此,上海交通大学研究了不同温度、pH和冻融次数等储存条件对外泌体的数量变化与细胞摄取的影响,并将其与新鲜的外泌体进行比较,最终在2019年4月Protein & Cell杂志上发表了相关论文报道。


研究人员将提取到的外泌体等分成若干等分,每个部分在不同温度(-80℃, -20℃,4℃,37℃和60℃)下进行储存,或者通过1-5个循环冷冻至-80℃并解冻。等到24小时后,再进行NTA和WB检测外泌体的剩余量。

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(A)通过NTA检测在不同温度下储存了24小时的外泌体的相对浓度


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(B)在样品通过不同条件下储存24小时后,再通过WB检测

三种外泌体标记物TSG101,HSP70和ALIX的水平

在(A)(B)两图的实验结果显示,在4℃下储存的外泌体具有最高浓度。

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(C)外泌体在储存于−80 °C,−20 °C,以及4 °C 下,

0、7、15以及30天后,再通过WB检测

三种外泌体标记物TSG101,HSP70和ALIX的水平


在(C)图的实验研究中检测了不同温度(-80℃,-20℃,4℃)下长期储存的外泌体相关蛋白的水平。TSG101、HSP70和ALIX的水平随着储存时间延长而显出下降趋势,在-20℃和4℃的降解速度要大于-80℃下的蛋白降解速度。


研究证实,在4℃下放一个月,外泌体的标记蛋白几乎完全降解,活性全无。

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(D)不同的冻存次数下外泌体标记物TSG101、

HSP70和ALIX的水平


(D)图的实验研究表明反复的冻融会造成外泌体标记物水平的降低,可能的机制是其造成了膜的破坏。


该实验结果显示,在-20℃和-80℃下保存的外泌体会比较完整无损,而4℃和室温下的外泌体已基本没有活性。叠加长期存储条件的现实因素,-20℃是比较可取的外泌体存储方式。



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冻干技术在外泌体存储中的应用

冻干是一种已用于多种类型的生物材料(蛋白质,血浆以及活细胞等)的保存技术。


冻干技术起源于二战时期,最初被应用于保存血液制品,使其轻便且易携带。二战结束后,随着各国经济复苏的需要,冻干技术被逐渐应用到医药、生物、航天航空等领域。20世纪90年代,生物药品的出现,促进冻干技术向更加精致、深入的方向发展,冻干粉也从早期应用于医药领域延伸到现在的诸多行业。

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现在冻干技术也被应用于改善外泌体的长期稳定性,而且干燥在真空条件下进行,对于一些易氧化的成分也具有很好的保护作用。外泌体经过冻干后水份含量非常低,使其稳定性提高,受污染的机会减小,不仅方便了运输还延长了外泌体的保存期限。


试想下如果冻干的外泌体可以在室温条件下稳定保存,如果可以通过冻干技术保留外泌体的生物活性,如果不需要昂贵的冷链或其他复杂的存储条件,外泌体的应用范围也将会大大提升,应用成本也会显著降低。


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外泌体常用的冻存保护剂

海藻糖 trehalose

海藻糖是蘑菇、虾、昆虫和细菌中所含的一种天然的非还原性的二糖。海藻糖被食品和化妆品工业广泛用作构造剂,稳定剂或保湿剂,并用作不稳定蛋白药物,疫苗和脂质体以及用于移植的细胞和器官的(低温)防腐剂。多项毒性研究确定了口服,胃或肠胃外给药后海藻糖在小鼠和人类中的安全性和耐受性。海藻糖为多种生物物质提供保护作用,包括稳定蛋白质,细胞膜和脂质体,减少冷冻过程中细胞内冰形成以及防止蛋白质聚集的能力。

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甘露醇mannitol

化学式为C6H14O6,是一种糖醇,是山梨糖醇的同分异构体,易溶于水,为白色结晶性粉末,有类似蔗糖的甜味,常用的冻存保护剂。甘露醇不仅可作为优良的骨架剂使用,而且在一些处方中它能够兼作蛋白质的冻干保护剂。甘露醇对蛋白质的保护作用与其浓度、形态结构有关,而其浓度与结晶形态有时呈一定的关联性。通常认为无定型甘露醇具有使蛋白质稳定的作用而结晶态的甘露醇则失去保护功能;1%或更低浓度的甘露醇通过无定型结构的形成而阻止蛋白质药物的聚集,但是高浓度的甘露醇则易于形成结晶态而促进蛋白质药物的聚集。


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展望

因冻干技术保留了外泌体的生物活性,不需要昂贵的冷链或其他复杂的存储条件,将极大地促进药物和化妆品的开发。


外泌体-RNA不仅对于细胞反应的传递很重要,而且对于将外泌体用于诊断环境也很重要。评估更详细的冻干外泌体如何与其靶组织相互作用也具有重要的意义。


参考文献

1.Preservation of small extracellular vesicles for functional analysis and therapeutic applications: acomparative evaluation of storage conditions. Drug Deliv. 2021 Dec;28(1):162-170.

2.Pilot Production of Mesenchymal StemStromal Freeze-Dried Secretome for Cell-Free Regenerative Nanomedicine. Cells. 2018 Oct 30;7(11):190.

3. Preservation of exosomes at room temperature using lyophilization. Int J Pharm. 2018 Dec 20;553(1-2):1-7.

4.Post-production modifications of murine Mesenchymal Stem Cell 1 (mMSC) derived Extracellular Vesicles (EVs) and impact on their cellular interaction. Biomaterials. 2020 Feb;231:119675.

5.Freeze-dried and GMP-compliant pharmaceuticals containing exosomes for acellular mesenchymal stromal cell. Nanomedicine (Lond). 2019 Mar;14(6):753-765.

6.Freeze-Dried Extracellular Vesicles From Adipose-Derived Stem Cells Prevent Hypoxia-Induced Muscle Cell Injury. Front Cell Dev Biol. 2020 Mar 20;8:181.



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