科学家们发现了微小粒子如何在通过血液和其他体液在细胞之间运输物质的过程中保持其结构完整性的关键。这得益于独特的蛋白质，它们在不同生物环境中适应波动的电信号的同时保持其膜的完整性。
科学家们发现了微小粒子如何在通过血液和其他体液在细胞之间运输物质的过程中保持其结构完整性的关键。这得益于独特的蛋白质，它们在不同生物环境中适应波动的电信号的同时保持其膜的完整性。
这些粒子被称为细胞外囊泡，并因其作为创新药物递送系统的潜在模型而受到关注。然而，直到最近，研究人员对它们的功能尚缺乏全面的理解。
最近由俄亥俄州立大学的医学研究人员领导的一项研究发现，这些囊泡中包含一种离子通道——一种为电荷通过保护外膜提供通道的蛋白质。这个过程对于维持囊泡内部环境的稳定至关重要。
对动物的实验也表明，这种离子通道影响囊泡的载荷，暗示这种蛋白质对细胞外囊泡（EVs）的完整性以及它们的操作能力至关重要。在将带有离子通道和不带离子通道的EV递送的RNA分子与患有心脏问题的小鼠进行比较时，只有来自含有离子通道的EV的分子能够有效修复心脏损伤。
负责该研究的生理学和细胞生物学教授哈普里特·辛格（Harpreet Singh）和急救医学教授马哈茂德·汗（Mahmood Khan）均来自俄亥俄州立大学医学院。
辛格指出：“我们不仅发现了这些囊泡中的离子通道；我们成功地首次记录了功能性离子通道。从最初假设这些囊泡将具有离子通道，到证明它们含有可对细胞产生好处或危害的各种载荷——特别是在心脏情况下——我们对这一主题进行了全面的研究。”
研究结果于1月2日发表在《自然通讯》上。
细胞外囊泡负责在细胞之间运输蛋白质和其他分子，影响生物和生理反应。除了在细胞间通讯和维持细胞平衡中的作用外，这些粒子还与免疫反应、病毒传播、心血管疾病、癌症和神经系统疾病有关联。
辛格引用他在离子通道领域的专业知识，提出EV必须拥有这些通道，以安全地在细胞内部和细胞外环境之间运输分子。未能维持这一平衡可能导致由于渗透压力或因电荷变化造成的干扰而导致膜破裂。
辛格表示：“通过我们丰富的经验和过去一个世纪的基础研究，离子通道对维持任何膜结构至关重要。”
考虑钾，这是一种在细胞内存在高浓度但在周围细胞外液中显著较低的关键电解质。
他解释说：“当细胞外囊泡从高钾环境移动到低钾环境时，无法维持离子平衡可能导致渗透震荡。”
在这项研究中，团队专注于从小鼠中提取的EV，研究由汗提供，他还领导急救医学系的基础和转化研究，并使用干细胞疗法研究心脏修复。
由于这些粒子的微小规模，科学家们开发了一种称为近场电生理学的技术，以测量EV膜内的电流。他们发现了一种钙激活的大电导钾通道（BKCa）。
接下来，他们将正常小鼠的EV与缺失BK钾通道基因的敲除小鼠EV进行了比较。他们发现，敲除小鼠的EV的载荷组成在数量和大小上存在显著差异，表明BKCa通道起着功能作用。
在正常小鼠的EV载荷中，识别出几段调节基因激活的小RNA片段，据汗称，这些片段有助于保护心脏免受氧化压力。另一方面，敲除小鼠的EV则表现出一组不同的RNA片段，称为微小RNA。
这一发现促使汗的实验室进行后续动物试验，其中从正常和BK基因敲除小鼠提取的EV注入患有心脏病的小鼠。
辛格解释说：“来自健康动物的EV对心脏提供了保护。” “相反，缺失BK基因的EV则未能提供足够的保护，实际上使病情恶化。缺少通道的囊泡富含有害的微小RNA。”
“载荷的变化是由于包装差异，还是没有通道的囊泡本身存活能力较差？这是我们目前正在探索的一个未解之问。”
另一个重要的未解决问题是识别运输蛋白，这些蛋白可以在囊泡从细胞外环境进入高浓度钾的细胞时维持离子稳定性。
除了增强我们对细胞外囊泡的理解外，辛格相信这项研究有潜力改善它们的治疗应用。
他警告说：“关于用带电分子（无论是药物、RNA、蛋白质还是其他物质）填充这些囊泡，有相当大的讨论。如果你用带电物质充填它们而不管理离子稳态，可能会面临不利影响。” “我们的主要启示是，在生物工程EV时，实现离子通道和运输蛋白的正确平衡至关重要。”
这项研究得到了俄亥俄州州长总统博士前奖学金、生理学和细胞生物学系、研究生院校友资助、美国心脏协会及几个专注于健康和疾病的国家研究所的支持。
其他共同作者包括来自俄亥俄州立大学的Shridhar Sanghvi、Divya Sridharan、Parker Evans、Julie Dougherty、Kalina Szteyn、Denis Gabrilovich、Mayukha Dyta和Jessica Weist；来自马歇尔大学的Sandrine Pierre；来自俄亥俄北方大学的Shubha Gururaja Rao；来自赖特州立大学的Dan Halm；以及来自格罗宁根大学的Tingting Chen、Panagiotis Athanasopoulos和Amalia Dolga。
