细胞外囊泡是由细胞分泌的一类具有磷脂双分子层结构的高度异质性的囊泡状小体。细胞外囊泡携带蛋白质、mRNA/miRNA、脂质等信息物质,可以从供体细胞传递到受体细胞,影响受体细胞表型和功能。细胞外囊泡广泛存在于生物体液中,参与多种生理和病理过程。根据细胞外囊泡的起源不同,可以大致分为由细胞内多泡小体外排产生的外泌体,以及由质膜直接出芽或延伸断裂形成的微囊泡(也被成为质膜来源的细胞外囊泡)。细胞外囊泡功能的研究日益增加,然而,对细胞外囊泡基本的生物学过程仍有许多未知。关于外泌体在形成发展过程中,不同生理、病理条件下细胞内部多泡小体与各类膜细胞器的物质交换尚不清楚。另外,细胞外囊泡作为细胞间物质传递“信使”的功能依赖于供体细胞持续的动态释放,以及其与受体细胞接触并传递其内容物引发受体细胞表型的改变。然而,我们对细胞外囊泡尤其是特定亚型囊泡的动态过程如释放、传递摄取、内容物递送等认知仍然十分有限。本论文的具体研究内容如下:第一部分:自噬是细胞应对外界压力刺激的一种生存机制,但也可导致细胞死亡或凋亡。肿瘤细胞在通过血液或淋巴系统转移的过程中,必须克服来自体液的急性流体剪切力。我们预测,肿瘤细胞存在一种针对机械应力的自噬补偿通路。实验结果表明,急性流体剪切力促进了自噬体积聚以及诱导细胞外囊泡携带自噬相关内容物释放。而且,急性流体剪切力促进了自噬囊泡与多泡小体融合形成自噬-多泡小体复合物,自噬相关内容物可以通过“自噬-多泡小体-外泌体”途径释放到胞外。更重要的是,只有在机械刺激下,否则即使通过化学诱导剂促进胞内自噬体积聚或抑制自噬降解以促进自噬-多泡小体复合物形成,都不能诱导自噬相关蛋白通过细胞外囊泡释放,证明了肿瘤细胞存在一条机械力依赖的自噬代偿途径。综上所述,细胞外囊泡为肿瘤细胞提供了额外的一层保护机制,能够在急性流体剪切力作用下协同自噬维持细胞内稳态。第二部分:细胞释放的质膜来源的细胞外囊泡包含各种生物物质,是细胞间通讯的重要载体。然而,受限于其无特定生物标志物及纳米尺寸,现有的成像方法不能满足对质膜来源的细胞外囊泡的复杂生物学特征的研究。本论文利用具有三维纳米尺度分辨率的原子力显微镜和扫描离子电导显微镜,以无标记成像的方式在单囊泡水平探究了质膜来源的细胞外囊泡异质性的形态、释放和摄取的过程。通过单细胞成像分析,发现肿瘤细胞比健康细胞具有更多的质膜来源的细胞外囊泡。同种肿瘤细胞释放的质膜来源的细胞外囊泡形态多样,包括经典的微囊泡,以及大小不一的簇状囊泡。通过活细胞连续成像,发现质膜来源的细胞外囊泡释放时间与其尺寸高度相关。此外,还发现了一种可以对机械刺激作出快速响应的质膜起源的新型细胞外囊泡。重要的是,通过三维纳米级成像,在单囊泡水平上表征了细胞外囊泡与靶细胞多种的作用形式。这些结果从单囊泡水平上揭示了质膜来源的细胞外囊泡在形态和动力学的异质性,增强了我们对细胞外囊泡生物学的认知。