納米微針是將外源性生物分子遞送至細(xì)胞的有效工具。盡管納米微針目前已被應(yīng)用于多種疾病的治療，但關(guān)于細(xì)胞如何與納米微針相互作用的機(jī)制仍然缺乏研究。

近期，美國西北大學(xué)的Shana O. Kelley團(tuán)隊提出了一種生成納米微針的新方法，并驗證了它們在藥物遞送中的實用性，研究了其在藥物遞送過程中的遺傳調(diào)節(jié)因子。研究人員首先基于電沉積法制造了納米微針陣列，并使用熒光標(biāo)記的蛋白質(zhì)和siRNA量化了其遞送功效。值得注意的是，研究人員發(fā)現(xiàn)該納米微針會破壞細(xì)胞膜，增強(qiáng)細(xì)胞-細(xì)胞連接蛋白的表達(dá)，并下調(diào)NFκB通路轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)。這種擾動使得大部分細(xì)胞停留在細(xì)胞的內(nèi)吞活性最高的G2期。該系統(tǒng)為研究細(xì)胞與高縱橫比材料之間的相互作用提供了一個新模型。

金納米微針用于原代細(xì)胞或干細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)遞送示意圖

將外源性生物分子遞送到細(xì)胞中是基因組編輯和細(xì)胞治療的基礎(chǔ)。現(xiàn)有方法通常涉及使用危險、有毒或低效的病毒、電場或化學(xué)試劑。因此，有效且具有成本效益的細(xì)胞內(nèi)遞送方法且細(xì)胞毒性和細(xì)胞應(yīng)激最小的策略尚未得到開發(fā)。 特征尺寸為100 μm~500 μm的微針已被證明具有細(xì)胞內(nèi)遞送的功能。然而，通過被動擴(kuò)散為主的微針的遞送效率通常很低（8%到20%)。

此外，人們開發(fā)出通過微針介導(dǎo)的電穿孔將質(zhì)粒主動遞送到細(xì)胞中。盡管效率提高到50%，但該裝置需要高電壓 (>50 V) 才能運行。 相比之下，高縱橫比納米材料，尤其是特征尺寸為100 nm~1000 nm的垂直納米微針，在體外細(xì)胞內(nèi)遞送包括核酸、納米粒子、治療藥物、蛋白質(zhì)和代謝物中表現(xiàn)出廣泛的實用性、高效率（高達(dá)95%）和較小的細(xì)胞毒性作用。此外，納米微針已被引入用于原位基因/免疫治療，并在動物模型和體內(nèi)取得了令人鼓舞的結(jié)果。納米微針已被證明是一種安全有效的細(xì)胞內(nèi)遞送工具。

盡管在實驗室層面取得了成功，但納米微針從實驗室到臨床的轉(zhuǎn)化非常有限。其中有幾個關(guān)鍵挑戰(zhàn)仍未解決。事實上，納米微針的制造通常涉及使用反應(yīng)離子蝕刻（RIE），這是昂貴、不可擴(kuò)展、勞動密集型的，并且需要集中的潔凈室設(shè)施。RIE的使用極大地阻礙了納米微針的大規(guī)模制造。

此外，先前的研究已經(jīng)利用已建立的癌細(xì)胞系來評價遞送效率，例如淋巴細(xì)胞癌。這些癌細(xì)胞系通常易于轉(zhuǎn)染，因此不能很好地代表用作治療的原代細(xì)胞或干細(xì)胞。 此外，目前已有的研究尚未系統(tǒng)地了解納米微針介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)遞送的原理。在一些研究中提出，納米微針只是通過膜破裂穿透細(xì)胞膜，而其他人則認(rèn)為滲透模型過度簡化了細(xì)胞-納米微針界面。納米微針的存在可以通過細(xì)胞膜的動態(tài)生化和生物力學(xué)調(diào)節(jié)促進(jìn)生物分子的攝取。

最近的一項研究還強(qiáng)調(diào)，納米微針甚至可以通過機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)核基因的表達(dá)?？傊@些發(fā)現(xiàn)表明需要深入研究細(xì)胞-納米微針界面。

研究人員最近引入了用于研究細(xì)胞和納米結(jié)構(gòu)之間相互作用的電沉積電極。該電沉積方法高度可調(diào)，可以在模板介導(dǎo)或無模板的的情況下制造具有不同程度納米結(jié)構(gòu)。值得注意的是，具有高度可調(diào)的幾何形狀和密度的納米微針可以通過簡單的設(shè)置在幾分鐘內(nèi)沉積到裸露的金表面。這促使該電沉積能夠作為一種快速、無RIE制造納米微針的方法。

具有可調(diào)形態(tài)和納米微針密度的生物相容性納米微結(jié)構(gòu)（NMA）的電沉積

在該項研究中，研究人員首次報告了使用電沉積來制造金納米微針，用于難以轉(zhuǎn)染的原代細(xì)胞和干細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)遞送。電沉積方法快速、無RIE、可擴(kuò)展且成本相對較低。研究人員研究了納米微針形態(tài)、遞送效率和細(xì)胞毒性之間的關(guān)系。基于膜聯(lián)蛋白V的染色，研究人員發(fā)現(xiàn)具有不同形態(tài)的金納米微針對細(xì)胞的活力和凋亡影響最小。

在 0 mV和~300 mV的電壓下沉積的高尖納米微針具有更好的遞送效率。在電沉積納米微針的幫助下，各種外源性生物分子（葡聚糖、白蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白、量子點、siRNA）被成功地遞送至原代細(xì)胞和干細(xì)胞中，包括多能干細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和原代成纖維細(xì)胞。

含有高密度納米針的NMA促進(jìn)各種生物分子在多個難以轉(zhuǎn)染的原代細(xì)胞中的遞送

含有高密度納米針的NMA促進(jìn)siRNA的轉(zhuǎn)染，并在蛋白質(zhì)水平上產(chǎn)生顯著的抑制作用

研究人員還研究了提高效率的潛在機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)電沉積納米微針通過阻止細(xì)胞進(jìn)入G2細(xì)胞周期來促進(jìn)生物分子的內(nèi)吞作用。進(jìn)一步的微陣列和質(zhì)譜分析表明，這種細(xì)胞周期停滯源于細(xì)胞膜上的有限粘附，通過NFκB途徑轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞核，并通過調(diào)節(jié)細(xì)胞核中的E2F和CDK蛋白實現(xiàn)。綜上所述，該研究結(jié)果證明了電沉積金納米微針對于生物分子的遞送的效用，并提供了復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)與原代細(xì)胞之間相互作用的生物學(xué)原理。

NMAs通過細(xì)胞周期停滯促進(jìn)膜運輸

綜上所述，研究人員開發(fā)了一種快速、無RIE的策略來通過電沉積制造具有可調(diào)納米結(jié)構(gòu)的納米微針（NMA）。NMA可顯著促進(jìn)原代細(xì)胞對蛋白質(zhì)和siRNA的內(nèi)吞作用，從而提高基因敲低的效率。研究人員對轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組進(jìn)行了全面分析，以揭示其潛在機(jī)制。結(jié)果表明，內(nèi)吞作用是通過 NFκB通路從NMA轉(zhuǎn)導(dǎo)到細(xì)胞核的細(xì)胞周期停滯的結(jié)果?？傊芯咳藛T的研究結(jié)果表明，生物界面中高縱橫比納米結(jié)構(gòu)的存在可以引起比膜變形更復(fù)雜的生物反應(yīng)。與納米結(jié)構(gòu)的相互作用將改變多種細(xì)胞內(nèi)過程，例如信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞周期。重要的是，納米結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的細(xì)胞周期停滯可用于改善細(xì)胞內(nèi)吞過程并產(chǎn)生有效的細(xì)胞內(nèi)遞送。在設(shè)計未來的多功能生物界面以進(jìn)一步提高藥物輸送的效率時，具有廣泛的應(yīng)用前景。

審核編輯：劉清