Advanced Science:超声微泡阵列稳态空化调控细胞膜通透性

超声联合微泡介导药物/基因递送技术因具有非接触、无创、低廉、普遍适用性等优点而受到了广泛的关注。微气泡在超声场中在声辐射力的作用下急剧膨胀、收缩产生空化效应,在细胞膜表面产生可修复的几十纳米至几百纳米大小的孔隙,从而增强了细胞膜的通透性,使得细胞外的DNA、蛋白质等生物大分子可穿过微孔进入细胞内发挥作用。但是,微气泡空化效应的有效作用距离非常有限,通常小于气泡的直径,只有当细胞与气泡的相对距离非常接近时,细胞膜通透性才能增强。然而,通常气泡与细胞的距离是随机不可控的,这成为导致当前超声基因递送技术效率低的主要原因。因此,如何利用超声实现均匀、高效的细胞穿孔效应,一直是超声药物/基因递送技术亟待解决的难题。

中国科学院深圳先进技术研究院超声团队针对这一难题,基于标准MEMS工艺设计加工了尺寸均一可控的微气泡阵列,通过超声激发微气泡阵列的共振吸引、捕获细胞,利用气泡阵列的稳态空化,实现了单细胞水平的并行、高效的声致穿孔效应调控。

研究人员首先在PDMS(polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)腔道的侧壁上加工了尺寸一致的矩形微腔。当细胞悬液流经这些微腔时,由于表面张力的作用空气即被封装在这些预加工的矩形腔内,从而形成微气泡阵列。由于气泡具有相同的尺寸(直径40.8 μm),可在107 kHz单一超声频率激发下,可诱发所有气泡产生共振,共振气泡将会对细胞将产生超声辐射力以及声微流(microstreaming)的作用。细胞将沿着声微流的流线运动,当细胞运动接近微泡时,气泡产生的辐射力大于声微流形成的拽力,细胞将会被牢牢地捕获到气泡的表面。由于振动气泡直接接触细胞,空化气泡诱使捕获在气泡表面的细胞形变,使得细胞膜承受的剪切应力超过了穿孔的阈值,从而增强了膜通透性,诱发的可修复声致穿孔效率高达。这种均一粒径的微泡阵列可为单细胞水平声致穿孔效应机理和高效基因转染等方面研究提供新颖工具。

该工作以“Sonoporation of Cells by a Parallel Stable Cavitation Microbubble Array”为题,发表在Advanced Science (DOI: :10.1002/advs.201900557)上,第一作者为中国科学院深圳先进技术研究院孟龙副研究员,郑海荣研究员为通讯作者。