納米顆粒跟蹤分析（NTA）：外泌體表征的重要技術手段

納米顆粒跟蹤分析（NTA）技術：

外泌體表征的重要技術手段

一、外泌體簡介

在復雜的生物系統中，細胞間的信息傳遞與物質交換及功能表達均依賴于一類特殊的載體——外泌體。

外泌體作為細胞外囊泡中重要的亞群，是直徑約 30-150 納米的膜性囊泡，其內部攜載著蛋白質、核酸、脂質等生物活性分子，在細胞間通訊網絡中發揮關鍵作用（圖1）。研究表明，腫瘤細胞來源的外泌體可通過促進血管生成、誘導免疫抑制微環境等途徑支持腫瘤進展；神經元分泌的外泌體則參與神經信號傳導調控及突觸可塑性維持。這些研究的實現，均依賴于對外泌體物理特性（如粒徑分布、濃度水平）的精準解析。

而納米顆粒跟蹤分析（NTA）技術作為解析外泌體粒徑與濃度等基本物理特性最為常用的技術手段之一，對外泌體相關的科研及醫療研究發揮著不可或缺的重要作用。

圖1  外泌體的潛在應用

二、納米顆粒跟蹤分析（NTA）技術

1、NTA核心工作原理

納米顆粒跟蹤分析技術（NTA）基于光散射理論與布朗運動分析的有機結合，實現對外泌體等納米顆粒的精準表征。其核心構成及技術原理如下（圖2）：

圖2  NTA核心結構

納米顆粒跟蹤分析技術（NTA）通過激光散射光路系統，對溶液中的納米級顆粒進行動態監測。當單束激光聚焦于樣品池時，顆粒的散射光信號被高靈敏度相機捕捉，形成實時動態圖像。基于Stokes-Einstein方程（圖3），通過追蹤單個顆粒的運動軌跡并進行統計分析，可精確計算顆粒的流體力學直徑及濃度分布。該技術實現了對 10-1000 納米粒徑范圍顆粒的單顆粒分辨率檢測，尤其適用于異質性外泌體群體的表征。

圖3  Stokes-Einstein方程

2、NTA技術特點

·       高分辨率檢測：可識別 10 納米級粒徑差異。

·       高效率檢測：相比傳統檢測技術，NTA 顯著縮短檢測周期，從樣本加載到完成分析僅需 5 分鐘，較透射電子顯微鏡（TEM）的 2 小時以上前處理時間，效率大幅提升。

·       可視化數據呈現：通過保存顆粒運動的實時影像及散射光強度圖譜，實現檢測結果的可視化驗證，為數據可靠性提供直觀依據。

·       多場景應用：除了顆粒粒徑、濃度等基本功能外，NTA還能集成熒光模塊和ZETA電位模塊，實現標記樣本檢測和樣本顆粒表面電位檢測的應用能力。

3、NTA與其他外泌體表征技術的對比優勢

外泌體的精準表征是開展基礎研究與臨床轉化的關鍵前提。作為納米級囊泡檢測的核心技術，納米顆粒跟蹤分析（NTA）在與其他表征手段的對比中展現出不可替代的優勢。

由于技術原理的限制，其他表征手段存在著一些缺陷：TEM技術檢測流程復雜，程耗時長（ 4 小時以上），且僅能獲取局部顆粒信息，人工計數誤差率高（ 15%-20%），難以反映樣本整體分布特征；DLS技術在多分散體系檢測領域表現不佳，且易產生粒徑分布偏移誤差、在低豐度樣本檢測中誤差顯著增大；流式細胞術需對目標顆粒進行熒光標記以實現檢測，標記過程可能改變外泌體天然屬性，且僅能提供單一熒光參數分析。

而NTA 技術憑借其在精準高效、動態檢測、無標記分析及可視化驗證方面的獨特優勢和對多分散體系檢測的優良表現，顯著彌補了傳統外泌體表征技術的局限性。并且，由于NTA對外泌體檢測沒有任何預處理要求，即直接對提取的原生態外泌體樣本（最接近生理條件）進行檢測，使得NTA能夠精準刻畫外泌體的物理化學特性，為深入探索外泌體功能機制提供可靠的數據支撐。其在不同應用場景下展現出的精準性與高效性，為后續在外泌體研究各領域的深入應用奠定了堅實基礎。

基于此，NTA技術已經是外泌體研究不可或缺的一種重要分析手段，以下將通過具體應用案例，進一步展現其在實際研究與臨床實踐中的重要價值。

三、NTA在外泌體研究中的應用案例分析

1、NTA精準檢測外泌體和微囊泡的粒徑與濃度

圖4  案例文獻1

《Nanoparticle tracking analysis monitors microvesicle and exosome secretion from immune cells》研究中（圖4），NTA 被用于監測免疫細胞（如 Jurkat T 細胞、樹突狀細胞）在刺激（離子載體、LPS）或抑制（基因敲低、分泌抑制劑）條件下的 EVs 分泌動態。NTA 可動態追蹤 EVs 濃度變化，如離子載體刺激使 Jurkat T 細胞 EVs 濃度增加 43%-126%，LPS 激活樹突狀細胞后 EVs 分泌 48 小時達峰值；通過粒徑分布區分微囊泡（100-1000 nm）與外泌體（30-150 nm），發現免疫細胞分泌的 EVs 以 70-90 nm 為主（圖5）；結合抗 CD45 免疫磁珠去除 T 細胞來源 EVs，NTA 信號減少 60%，驗證檢測特異性。該技術為免疫細胞 EVs 分泌與激活狀態的關聯研究提供了精準的定量工具。

圖5  該案例研究中，NTA測得的外泌體粒徑與濃度

該研究證明，納米顆粒跟蹤分析（NTA）技術通過單顆粒實時追蹤，能對細胞 EVs實現精準的粒徑與濃度表征， 為EVs相關的各學科科研工作、及EVs檢測作為技術手段的臨床醫療研究提供強有力的技術支持。

2、NTA技術為再生醫學科研提供重要助力

圖6  案例文獻2

在比較 FBS 與 HPL 培養的 MSC-EVs 研究中（圖6），NTA 作為核心表征工具：測定 F-EVs 與 H-EVs 粒徑均約 150 nm，量化 H-EVs 顆粒濃度較 F-EVs 高 1.5 倍，證實 HPL 促進 EVs 分泌；通過顆粒數 / 蛋白質量比驗證兩者純度均超 1×10? particles/μg，符合臨床級標準（圖7）；在體外血管生成和體內腎損傷模型中，基于 NTA 濃度數據實現 EVs 給藥劑量的標準化控制。NTA 通過精準量化 EVs 物理特性，為無動物源培養基篩選、EVs 產量評估及功能實驗標準化提供數據支撐，推動 MSC-EVs 在再生醫學中的機制研究與轉化應用。

圖7  不同通路的充質干細胞（MSCs）及其來源細胞外囊泡（MSC-EVs）的特性分析

該研究證實，NTA技術通過精準量化外泌體的物理特性，為間充質干細胞來源外泌體的研究提供了核心數據支撐，其單顆粒追蹤特性為解析 EVs 分泌動力學（如缺氧或藥物刺激下的釋放規律）提供了量化依據，推動 EVs 在再生醫學中的機制研究與標準化轉化，成為連接基礎科研與臨床應用的關鍵技術橋梁。

3、NTA技術為臨床醫療策略和療效評估提供關鍵數據支撐

圖8  案例文獻3

《Enhancing immunogenicity and release of in situ-generated tumor vesicles for autologous vaccines》研究中（圖8），NTA 用于評估 Combo-NPs@shGNE 納米顆粒原位疫苗策略：檢測到該策略使 TEV 釋放率提升至 56.44%（較空白組高 9.57 倍），TEV 濃度達 1.2×10? particles/10? cells，粒徑分布更集中；體內腫瘤組織中，NTA 顯示治療組 TEV 顆粒數較空白組提升 1.32 倍，且與 HSP70 等免疫刺激分子含量正相關；TEV 濃度數據直接關聯腫瘤生長抑制率，成為評估疫苗效果的關鍵參數（圖9）。NTA 通過量化 TEV 粒徑、濃度及釋放效率，為原位疫苗的機制驗證與療效評估提供了核心技術支撐。

圖9  NTA測定 TEV 的粒徑分布和粒子數

在該研究證明，納米顆粒跟蹤分析（NTA）技術完全能夠作為驗證研究假設和評估治療效果的核心工具，用于細胞外囊泡（包括外泌體）的粒徑分布、顆粒濃度及釋放效率的定量表征，發揮至關重要的作用。

四、總結

納米顆粒跟蹤分析（NTA）技術憑借其高分辨率、快速檢測和可視化驗證等優勢和對多分散體系檢測的優良表現，在外泌體相關各領域研究中發揮著不可或缺的重要作用：在基礎研究中，其通過解析外泌體的粒徑分布與濃度特征，助力揭示外泌體在細胞間通訊中的作用機制，如腫瘤細胞外泌體促血管生成、神經元外泌體調控神經信號傳導等過程；在再生醫學領域，NTA 為間充質干細胞來源外泌體（MSC-EVs）的培養基篩選、產量評估及質量控制提供核心支撐，推動無動物源培養基的臨床轉化；在臨床治療策略開發中，可用于監測腫瘤原位疫苗誘導的囊泡釋放效率、評估免疫原性囊泡的粒徑均一性，為個性化疫苗優化提供量化依據；在疾病診斷與療效監測方面，NTA 通過動態追蹤血液、尿液等樣本中外泌體的物理特性變化，為腫瘤早期篩查、病程進展判斷及治療響應評估提供技術支持；此外，在藥物遞送系統研究中，NTA 可實時監測外泌體載藥前后的粒徑變化與濃度波動，輔助優化載藥工藝并確保給藥劑量標準化，全面推動外泌體在精準醫學中的應用。

NTA已成為外泌體研究的不可替代的工具。未來，隨著技術的不斷創新，NTA 必將進一步推動外泌體的基礎研究與臨床轉化，在相關的生物生命科學研究、各類疾病診斷和治療中發揮更大作用。