千兆赫兹特声波(hypersound):细胞药物导入的新方法

将目标药物分子、治疗基因和蛋白等外源分子精准高效地导入细胞内部是现代精准医疗和细胞分子生物学研究中的重要技术。传统的细胞导入依赖化学药物或者电学刺激,这些方法无法实现选择性的药物导入,使用中会引起细胞免疫应答,有较大的副作用。近些年来,通过微纳技术实现细胞药物导入成为研究的热点。由于微纳器件具备体积小、功耗低等优点,可植入体内实现选择性细胞药物导入。另外,使用微纳技术实现单细胞药物导入也是现代分子生物学研究的热点。

近日,天津大学微纳机电系统(M/NEMS)实验室科研团队在细胞靶向药物导入方向取得了重要突破,在国际上首次提出了应用压电MEMS薄膜谐振器激发千兆赫兹(GHz)特高超声波进行靶向细胞药物导入的新技术。发现其可实现多种分子对细胞的精准导入,为细胞的药物导入提供了一种全新的方法,拓展了MEMS技术在生命科学中的应用。

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MEMS是指尺寸在0.5-500微米的可动元件构成的微电子机械器件与系统。在本研究中,研究团队创新的利用谐振器激励所产生的特超声(频率大约1 GHZ的声波)作用于细胞,诱导外源物质进入细胞。特超声波(hypersound)的振动频率远高于一般的超声波(ultrasound),对细胞膜的震动压力约是一般超声波的60倍,能够更加均匀的使细胞膜受力,高效稳定的在膜上形成小孔,促进外源药物分子进入,从而实现外源物质可控的精准导入细胞及细胞核,且本身对细胞无毒副作用。研究团队利用二维有限元模型对高频体声波在液体中对细胞的作用进行了理论仿真,揭示了其致细胞膜结构改变的物理原因。并针对不同浓度、不同尺寸,不同类别的外源分子进行细胞导入实验,发现该系统可实现高效率、多样化,导入位置可控的细胞分子导入。该药物导入系统基于MEMS技术,具有微型化、阵列化、功耗低等特点,可实现多靶点、定向化、单细胞的药物导入等多种传统药物导入技术不可比拟的优点,对今后医学体内药物治疗和实验室细胞分子生物学等方向的研究将产生重要的影响。

霍普金斯大学医学院教授,浙江大学癌症研究所所长于晓方教授评价这项工作:“特超声技术可控性高,使用方便。通过调控震动参数和震动源与细胞之间的距离,可以有效调整在细胞膜打孔的程度。该技术适用面广,经检测可以有效的促进小分子化学药品,单链DNA,双联DNA以及闭合环状质粒的进入细胞,且转染效果极高。此外这项技术也可应用于96孔板,易于多个实验组同时进行处理。”加拿大UBC Hongbin Lee教授评价这项工作“在国际上首次提出了应用压电MEMS薄膜谐振器激发GHz体声波在细胞膜上穿孔并进而实现进行细胞的药物导入的新技术,为细胞的药物导入和基因转染提供了一种全新的方法,开拓了MEMS技术在生命科学体系中的又一创新应用。”美国西北大学 Lingqian Chang 研究员评价该工作“是继微纳米机械力,微纳米电孔,微纳米激光之后,第四种微纳米尺度上的物理细胞送药方法,非常有意义”。

本工作以封面文章的形式发表在Wiley旗下微纳方向的旗舰期刊Small(DOI: 10.1002/smll.201602962)上,联合通讯作者为天津大学精仪学院庞慰教授和段学欣教授。

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