纳米金膜:表面辅助光致穿孔实现外源大分子向细胞内的高效传输

治疗性外源大分子(如多糖、蛋白质、RNA、DNA和药物分子等)的高效细胞传输是生物科学和生物医学工程研究中的一种重要手段,能够有效用于细胞工程以及癌症等多种疾病的治疗。关于外源大分子的细胞传输方法的研究也一直受到各国科研工作者的密切关注。目前常用的传输方法主要可以分为载体法和物理法两类。载体法包括病毒载体和非病毒载体。病毒载体虽然具有很高的转染效率,但存在安全性和免疫原性等问题;而非病毒载体比如阳离子聚合物和脂质体也由于较低的转染效率和细胞毒性等问题限制了其广泛应用。近年来,研究者们开发了多种通过物理手段提高细胞膜通透性从而实现外源大分子的直接细胞运输的方法,如显微注射法、电转法和光致穿孔法等,然而这些方法都存在着各自的局限性。显微注射法虽然精度高,但是需要昂贵的设备,并且每次只能处理有限数目的细胞;电转法使用的高强度电场对细胞活性破坏较大,并且针对不同细胞系,电转条件需要逐一摸索;光致穿孔法虽然对细胞活性损失小,但其低产率限制了该技术的广泛应用。因此,如何在保证传输安全性、减小细胞毒性的前提下提高外源大分子的细胞传输效率是目前该领域的一个研究热点和难点。

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苏州大学材料与化学化工学部大分子与生物表界面实验室(MacBio)在多年以来生物材料表界面的研究积累之上,开发了一种基于表面辅助光致穿孔实现外源大分子向细胞内高效传输的方法。该方法巧妙利用了金纳米粒子聚集体薄膜(简称纳米金膜)在近红外激光照射下产生的光热效应,在没有外加载体,不损失细胞活性的前提下,实现多种不同种类外源大分子(包括多糖分子、质粒DNA)向多种细胞的高效传输。纳米金膜可以通过简单的化学还原氯金酸的方法制得,对不同基材具有很好的普适性。特别地,由于纳米金膜表面上的纳米粒子彼此紧密结合,该方法有效避免了由于单个纳米粒子进入细胞而导致的潜在细胞毒性问题。对于常规细胞系(如HeLa细胞),该方法可以实现对多糖分子与质粒DNA近100%的传输效率,且很好地保持了细胞活性。对于难转染的细胞系,例如小鼠胚胎成纤维细胞(mEFs),该方法在没有载体的情况下的转染效率远远优于商品化转染试剂Lipofectamine 2000(53% 对19%)。而对于应用Lipofectamine2000更难转染的人脐带静脉内皮细胞(HUVECs),在Lipofectamine2000复合的基础上结合该方法,可以将转染效率从8%大幅提升到44%。

该方法不同于传统的大分子传输方法(如载体法、电转法等),通过优化条件,能够同时实现高细胞活性与高转染效率,为外源性大分子的细胞传输提供了一种高效可靠的新方法。该研究成果近期作为内封面(Inside Front Cover)文章在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201602036)杂志上报道,共同第一作者是博士生吕仲林和周峰博士,共同通讯作者是于谦副教授和陈红教授,同时已申报国家发明专利。目前该技术已由相关生物科技有限公司转化,成功研制出了第一代全自动表面辅助光致穿孔大分子传输仪,不久的将来即可将该仪器推向需求市场。