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新技术让分子安全进入细胞

摘要 根特大学的 Kevin Braeckmans 教授在过去的 10 年里专注于一种利用光热纳米纤维安全设计治疗细胞的方法。今天,Nature Nanotechnolog

根特大学的 Kevin Braeckmans 教授在过去的 10 年里专注于一种利用光热纳米纤维安全设计治疗细胞的方法。今天,Nature Nanotechnology深入了解这些生物相容性光热纳米纤维是如何开发的,以及在激光照射下,与这些纳米纤维接触的细胞如何变得通透并可以被各种效应分子转染,包括 CRISPR/Cas9 核糖核蛋白复合物和siRNA。Braeckmans 教授和他的团队证明,用这种纳米纤维转染的细胞,如胚胎干细胞和人类 T 细胞,健康状况良好,并保留了它们的治疗功能。

细胞疗法的新基础

基于细胞的疗法构成了一种更新的治疗形式,其中将转基因细胞注射到患者体内以预防或治疗疾病。一个众所周知的例子是使用癌症患者自身的免疫细胞,这些细胞可以在实验室环境中被分离、基因改造和扩增,然后重新注入患者体内以攻击肿瘤细胞。细胞的遗传修饰取决于细胞内递送技术,这些技术通常难以获得足够的效率,同时对细胞的健康和功能的影响最小。

纳米粒子敏化光穿孔在这方面特别有前途,因为它通常提供高效率、高通量和低毒性。它基于使用光响应纳米粒子,如金纳米粒子 (NPs),它可以在脉冲激光照射下形成爆炸性纳米气泡。这些微小的爆炸可以在细胞膜上产生小孔,让细胞培养基中补充的外部效应分子进入细胞。然而,由于细胞与(不可降解的)纳米粒子接触,造成毒理学和监管问题,因此阻碍了纳米粒子敏化光穿孔向临床应用的转化。

因此,需要一种新的方法来保留纳米颗粒敏化光穿孔的优势,同时避免纳米颗粒和细胞的直接接触。如上图所示,Braeckmans 教授和他的团队将光热氧化铁纳米粒子 (IONP) 嵌入到通过静电纺丝生产的生物相容性聚合物纳米纤维中。聚己内酯 (PCL) 是一种广泛用于生物医学应用的生物相容性聚合物,而 IONP 具有成本效益且具有宽广的光吸收光谱。

他们表明,在纳秒激光脉冲照射下,贴壁细胞和悬浮细胞都可以安全有效地转染一系列大分子。通过电感耦合等离子体串联质谱 (ICP-MS/MS) 进行元素分析,他们确认 IONP 在激光照射后仍安全地嵌入纳米纤维中,从而使处理过的细胞有效地避免直接暴露于纳米颗粒。对从纤维嵌入的 IONP 到附近细胞的热传递进行了数值模拟,以更好地了解激光脉冲通量、IONP 分布和聚集状态如何影响细胞膜通透性。

该团队的实验表明,使用光热纳米纤维进行光穿孔可以成功地将功能性生物分子,包括 siRNA 或 CRISP-Cas9 核糖核蛋白 (RNP),输送到贴壁细胞和悬浮细胞,包括人类胚胎干细胞 (hESC) 和原代人类 T 细胞。作为基准,与最先进的电穿孔进行了比较。虽然电穿孔细胞的表型和功能发生了变化,但光穿孔细胞的情况并非如此,它们保留了增殖能力,并且在 CAR-T 细胞的情况下,可以杀死肿瘤细胞。最后,PEN 光穿孔技术用于用靶向 PD1 受体(一种众所周知的免疫检查点抑制剂)的 siRNA 转染 CAR-T 细胞。siPD1处理的细胞 被证实在体内具有增强的肿瘤杀伤能力。

总之,它表明使用光热纳米纤维进行光穿孔能够在多种细胞类型中高效、安全地传递多种效应分子,而无需接触潜在有毒的光热纳米粒子。“我们相信这是朝着使用光穿孔技术安全有效地生产基因修饰细胞疗法迈出的重要一步,”Braeckmans 教授说。

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