用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料及其制备方法、应用和胞外囊泡富集材料

摘要

本发明公开了用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料，包括将具有高亲和性捕获胞外囊泡的分子以及金属离子修饰到磁性纳米材料表面而获得的功能化材料。本发明还公开了用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料的制备方法和应用。本发明还公开了一种胞外囊泡富集材料。本发明利用胞外囊泡亲和性分子和亲和性金属离子在磁性纳米材料表面修饰，实现对胞外囊泡的协同性作用，更加快速，有选择性的捕获胞外囊泡，本发明具有成本低、快速、简便、可重复等优点。

说明书

技术领域

本发明属于生物化学技术领域，具体涉及用于不同生物体液中胞外囊泡分离的胞外囊泡富集的磁性纳米材料及其制备方法和应用，以及包含用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料的、可应用于医疗、美容和医学服务中的胞外囊泡富集材料。

技术背景

胞外囊泡包含外泌体等完整膜结构，可以把它看成粒径在30-200纳米范围内的细胞产物，其包含细胞的各种膜结构蛋白，细胞质蛋白，以及核酸等。胞外囊泡随着生物技术蓬勃发展，逐渐走进人类生活中。一方面胞外囊泡用于疾病检测，癌症早期筛查，疾病治疗等；另一方面，胞外囊泡用于美容，医学服务等领域。因此对其高效富集至关重要。

胞外囊泡富集最适用的是超速离心法，先利用低速将杂质分离，随后提高离心力将较大的胞外囊泡沉淀下来，清洗；上清进行超高速离心，获得外泌体，并清洗；最后，将较大粒径囊泡和外泌体收集在一起，得到胞外囊泡。

磁性纳米材料在化学、物理、生物、医学、环境监测、公共安全等各个方面得到了一定的应用。无毒性、无损、易分离、廉价，可大批量生产是其巨大的优势。因此，结合磁性纳米材料在胞外囊泡富集的应用方面具有很大的前景。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是，提供了一种可实现胞外囊泡高效，快速富集的磁性纳米材料。

本发明还要解决的技术问题是，提供了一种可实现胞外囊泡高效，快速富集的磁性纳米材料的制备方法。

本发明还要解决的技术问题是，提供了可实现胞外囊泡高效，快速富集的磁性纳米材料的应用。

本发明最后要解决的技术问题是，提供了一种可实现胞外囊泡高效，快速富集的胞外囊泡富集材料。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料，所述用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料是将具有胞外囊泡高亲和性捕获的分子以及金属离子修饰到磁性纳米材料表面而获得的功能化材料。

其中，所述磁性纳米材料包括磁珠以及在所述磁珠表面修饰的二氧化硅壳层。

其中，所述磁珠的成分包括四氧化三铁纳米颗粒。

其中，上述磁性纳米材料为二氧化硅包裹的四氧化三铁纳米颗粒。

其中，上述磁性纳米材料中的四氧化三铁纳米颗粒(即磁珠)直径为100-300nm。

其中，上述磁性纳米材料中的二氧化硅壳层直径为50-100nm。

本发明内容还包括用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

1)四氧化三铁纳米颗粒的制备；

2)磁性纳米材料的制备：在四氧化三铁纳米颗粒表面修饰二氧化硅壳层；磁珠在水/乙醇/氨水体系中与正硅酸四乙酯发生反应，获得包裹二氧化硅壳层的磁珠，即磁性纳米材料；水/乙醇/氨水体系中，水、乙醇和氨水的体积比为2:1:0.086；氨水和正硅酸四乙酯的体积比为2:1；磁珠的加入重量相当于正硅酸四乙酯的体积的20倍量；

3)用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料的制备：将具有胞外囊泡高亲和性捕获的分子以及金属离子修饰到磁性纳米材料表面；具体方法为：将具有高亲和性捕获胞外囊泡的分子和磷酸基丙酸溶液共混，二者的重量比为18:1，再将相当于具有高亲和性捕获胞外囊泡的分子0.67倍量的磁性纳米材料加入其中，过夜孵育后清洗，去上清，再加入具有高亲和性捕获胞外囊泡的金属离子的溶液，孵育至少1小时后，并充分清洗，磁铁富集分离，制备出用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料。

其中，上述胞外囊泡亲和性分子为二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺，胆固醇，二棕榈酰磷脂酰乙醇胺的一种或几种；所述胞外囊泡亲和性金属离子为钛离子，铁离子，锆离子的一种或几种。

本发明内容还包括用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料在胞外囊泡富集方面的应用。

本发明内容还包括用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料在制备胞外囊泡富集材料中的应用。

一种胞外囊泡富集材料，所述材料包含所述的用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料。

一种胞外囊泡富集材料，包括医疗材料、美容材料和医学服务材料。

采用本发明的用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料进行胞外囊泡富集的方法，包括以下步骤：

1)在磁性纳米材料表面修饰具有胞外囊泡亲和性分子和金属离子，获得用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料；

2)将用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料与唾液，尿液等共孵育，并充分清洗，磁铁富集，弃去上清；

3)将上清去除后，洗脱胞外囊泡，进行Western Blot，透射电镜，扫描电镜，纳米粒径示踪表征。

该材料的胞外囊泡富集效果通过与传统超离所富集胞外囊泡的产率做对比，并通过Western Blot，纳米粒径示踪结果做对比。

上述用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料捕获胞外囊泡的过程为：2毫克用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料加入至10毫升尿样，一毫升唾液或1毫升血浆中，混匀孵育1小时；经PBS三次清洗后，洗脱胞外囊泡，进行Western Blot，扫描电镜，透射电镜表征，纳米颗粒示踪表征，并总结该材料富集方法对比超速离心法在捕获率，捕获时间的有点。

本发明工作原理：本发明利用具有胞外囊泡亲和性分子和金属离子，将其修饰在磁性纳米材料表面上，获得用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料。磁性纳米材料直径为100-300nm，直径在该范围内的磁性纳米材料，稳定性和均一性较高，与胞外囊泡粒径接近，可实现单个磁性纳米材料与单个或几个胞外囊泡的结合。随后，通过对比超速离心法所获得胞外囊泡的数量，胞外囊泡标志蛋白的含量，评价该材料的优势；基于这个原理，再结合磁性纳米材料的廉价和快速，可大批量制备的特点，两者结合，实现快速和高性价比的胞外囊泡富集。通过从不同角度的评价，获取标准化的评价流程，通过临床样品的质谱分析结果，评价其用于临床样品处理的可行性和实用性。

有益效果：相对于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明利用胞外囊泡亲和性分子和亲和性金属离子在磁性纳米材料表面修饰，实现对胞外囊泡的协同性作用，更加快速，有选择性的捕获胞外囊泡。

(2)本发明有效利用了纳米材料的特性，极大地降低了检测成本，本发明具有成本低、快速、简便等优点。基于表面修饰DSPE(即二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺)和钛离子的探针，对胞外囊泡实现插膜和膜结构表面磷酸基团结合的双重作用，协同地捕获胞外囊泡。基于这个原理，再结合用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料的廉价和快速的制备，两者结合，实现快速和高性价比的胞外囊泡富集。通过与传统超速离心法对比评价，证明该材料在胞外囊泡富集效率，特异性等方面均具有优势。

附图说明

图1显示了使用本发明的用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料富集胞外囊泡的原理图；图中阐述了材料的制备过程以及胞外囊泡的评价过程。

图2显示了本发明所制备的用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料的扫描电镜图(A)，所捕获的胞外囊泡的透射电镜图(B)，材料与胞外囊泡相互作用的透射图(C)，所捕获膜结构为胞外囊泡的证明图(D)。

图3显示了该材料捕获胞外囊泡与超离法对比的Western Blot结果对比图(A)以及材料富集胞外囊泡的稳定性评价图(B)。

图4显示了该材料捕获胞外囊泡的纳米颗粒示踪表征结果，其中，A为本发明的材料法，B为传统的超速离心法。

图5显示了该材料捕获胞外囊泡的质谱鉴定结果(A)与超离法(B)对比的13种胞外囊泡蛋白和污染蛋白富集效果图。

具体实施方式

实施例1

用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料的制备方法：

1、四氧化三铁纳米颗粒的合成：

首先将0.65g无水三氯化铁加入到装有20毫升乙二醇的烧杯中，磁力搅拌至完全溶解；随后，向其中加入0.2g柠檬酸三钠，1.2g乙酸钠，保鲜膜封闭烧杯后60℃搅拌一小时；将混合好的溶液转入反应釜中，至于烘箱内，200℃反应16小时；自然冷却后，打开反应釜，取出产物，5000rpm离心5分钟，去上清；最后，用乙醇清洗四氧化三铁磁性纳米颗粒三次，水清洗三次，定容至30毫升。

2、磁性纳米材料制备：

称取3个0.5毫升的离心管，分别记下质量；各自加入100微升上述四氧化三铁磁性纳米颗粒分散溶液，真空干燥后再次称重；分别求出质量差，并计算平均值，得到上述分散液浓度；根据所计算浓度，取出60毫克，加入到140毫升乙醇/70毫升水的体系中超声分散；而后，加入6毫升氨水，超声分散，将反应容器转至机械搅拌装置中，搅拌；边搅拌边逐滴加入3毫升正硅酸四乙酯；反应搅拌6小时之后，终止，5000rpm离心5分钟，去上清；随后用乙醇清洗三次，水清洗三次，清洗过程改用磁铁富集磁性纳米材料，去上清；最后，定容至12毫升。

3、用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料的制备：

材料的合成总的概括为图1中的合成流程，首先取出6毫升磁性纳米材料分散液，用磁铁富集后，去除上清；用乙醇清洗两次后加入到300毫升乙醇中，超声分散；随后，加入1.5毫升三丙基胺乙氧基硅烷，超声反应6小时后，离心去上清；然后，用乙醇清洗三次，水清洗三次，弃上清；将产物加入36毫升水/12毫升乙醇的体系中，再加入15毫克DSPE，0.825毫克磷酸基丙酸，75毫克1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，150毫克N-羟基丁二酰亚胺，超声混匀，反应12小时；反应结束后，离心去上清，水洗三次，重分散于50毫升水中；向其中加入180毫克硫酸钛，反应1小时后，去上清，水洗三次，得到胞外囊泡富集磁性纳米材料并定容至3毫升(如图2A所示)。

原理验证：

各取10毫升尿样，其中一管中加入200微升用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料，孵育一小时后，PBS清洗三次，保留沉淀；另一管采用超离，12000g离心力下离心40分钟，上清再用120000g离心力离心70分钟；两步所得到的沉淀用PBS清洗后混在一起，120000g离心力离心70分钟，得到终产物；将基于材料富集的胞外囊泡洗脱，进行透射电镜表征，得到如图2B所示的结果图；将基于材料富集的PBS分散液出去10微升，进行扫描电镜表征，得到图2C所示结果；将基于材料富集的胞外囊泡洗脱，然后与CD9特异性抗体标记的金纳米球以及CD63特异性抗体标记的金纳米棒进行孵育，1小时候取出，冷冻浓缩后，进行透射电镜表征，得到图2D的结果。

实施例2

基于实施例1获得的材料捕获胞外囊泡与超速离心法对比实验：

用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料的合成参照实施例1的方法，本实施例不再赘述。

1.材料捕获效率评价：采用实施例1中的操作流程，得到两种胞外囊泡的终产物，将两种方法(材料法和超离法)所得到的产物均分散在1毫升PBS中，然后各取50微升，冻干，进行Western Blot实验(如图3A所示)。

2.材料稳定性评价：取3毫升尿样，平均加入到3个1.5毫升的离心管内，向其中分别加入20微升用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料分散液，反应1小时，PBS清洗三次后，去除上清，利用Western Blot评价流程，对比三次实验所得到胞外囊泡产率的稳定性评价结果，如图3B所示。

3.材料捕获产量和粒径评价：采用实施例1中的操作流程，得到两种胞外囊泡的终产物，将两种方法得到的胞外囊泡用纳米颗粒示踪仪进行浓度和粒径测定，并对比浓度，结果如图4所示。

实验结果：Western Blot结果选择CD9条带所对应灰度值作为参考。从图3A中可以看出，材料法的结果优于超离法。如图3B所示，材料法三次实验的结果能够保持较好的稳定性，说明该材料以及方法在胞外囊泡富集方面的稳定性较高。

实施例3

两种方法(材料法和超离法)获得的胞外囊泡的质谱分析实验：

探针(即用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料)的合成参照实施例1的方法，本实施例不再赘述。

蛋白鉴定量的评价：采用实施例1中的胞外囊泡富集流程，得到两种方法所获得的胞外囊泡。其中材料法得到的胞外囊泡直接利用磁铁富集后去上清后，加入100微升裂解液，95℃水浴锅内反应5分钟；反应结束后，再向其中加入500微升50毫摩尔/升的裂解终止液，冷却至37℃以下；随后向反应体系中加入2.5微升的Lys-c酶解液反应3小时；三小时后，加入2.5微升Trypsin酶解液，酶解过夜；加入60微升10％的三氟乙酸后，再加入400微升乙酸乙酯，涡旋三分钟，离心去上层，下层冻干；冻干样品用千分之一三氟乙酸水溶液复溶后，用除盐柱进行除盐，除盐产物冻干；用千分之一甲酸复溶，取总量的1％进行质谱分析。通过PEAKs软件搜库以及定量结果，进行了鉴定量的统计以及特异性评价，如图5所示。

实验结果：从图5A可以看出，两种方法中，材料法所鉴定到的蛋白种类以及unique多肽种类数都大于超离法。在图5B中显示了13种胞外囊泡蛋白以及3种污染蛋白的质谱信号强度，通过对比，可以看出胞外囊泡的蛋白含量高于超离法，污染蛋白的富集量低于超离方法，材料法具有更好的选择性。

实施例4

用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料，包括将具有高亲和性捕获胞外囊泡的分子以及金属离子修饰到磁性纳米材料表面而获得的功能化材料。

所述磁性纳米材料包括磁珠以及在所述磁珠表面修饰的二氧化硅壳层。

所述磁珠直径为100nm。

所述二氧化硅壳层直径为50nm。

所述具有高亲和性捕获胞外囊泡的分子为胆固醇；所述具有高亲和性捕获胞外囊泡的金属离子为铁离子。

实施例5

用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料，包括将具有高亲和性捕获胞外囊泡的分子以及金属离子修饰到磁性纳米材料表面而获得的功能化材料。

所述磁性纳米材料包括磁珠以及在所述磁珠表面修饰的二氧化硅壳层。

所述磁珠直径为300nm。

所述二氧化硅壳层直径为100nm。

所述具有高亲和性捕获胞外囊泡的分子为二棕榈酰磷脂酰乙醇胺；所述具有高亲和性捕获胞外囊泡的金属离子为锆离子。

实施例6

用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料，包括将具有高亲和性捕获胞外囊泡的分子以及金属离子修饰到磁性纳米材料表面而获得的功能化材料。

所述磁性纳米材料包括磁珠以及在所述磁珠表面修饰的二氧化硅壳层。

所述磁珠直径为200nm。

所述二氧化硅壳层直径为80nm。

所述具有高亲和性捕获胞外囊泡的分子为二棕榈酰磷脂酰乙醇胺和二棕榈酰磷脂酰乙醇胺，二者的重量比为1:1；所述具有高亲和性捕获胞外囊泡的金属离子为锆离子和钛离子，二者的重量比为1:1。

实施例7

本实施例与实施例6的区别仅在于：

所述具有高亲和性捕获胞外囊泡的分子为二棕榈酰磷脂酰乙醇胺、胆固醇和二棕榈酰磷脂酰乙醇胺，三者的重量比为1:1:1；所述具有高亲和性捕获胞外囊泡的金属离子为锆离子、铁离子和钛离子，三者的重量比为1:1:1。

实施例8

用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料在胞外囊泡富集方面的应用。

实施例9

用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料在制备胞外囊泡富集材料中的应用。

实施例10

一种胞外囊泡富集材料，包含用于胞外囊泡富集的磁性纳米材料。

一种胞外囊泡富集材料，包括医疗材料、美容材料和医学服务材料。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。