PNAS革新技术：大分子轻松“挤”进细胞

　　

生物通报道：细胞膜围绕着活细胞，严格控制进出细胞的物质。细胞需要这一屏障来控制内部环境，但这也使科学家们无法轻易向细胞导入大分子，例如用于成像的纳米颗粒和用来重编程多能干细胞的蛋白。

日前，麻省理工MIT的研究人员开发了将大分子送入细胞膜的新途径，让细胞挤压着通过狭窄的管道使细胞膜打开临时性的小孔。该方法非常安全有效，RNA、蛋白或纳米颗粒等任何漂浮在细胞外的大分子都能轻松进入细胞膜。文章发表在美国国家科学院院刊PNAS杂志上。

研究人员用这一技术成功向细胞导入蛋白进行iPS重编程，成功率比现有方法高10至100倍。此外，他们还用该技术运送了碳纳米管和量子点等纳米颗粒，来对细胞内部事件进行成像和监控。

“将大分子导入细胞是非常有用的。这个相对简单的系统能够运输多种不同物质，我们认为很有趣，”文章的资深作者材料科学和工程学教授Klavs Jensen说，MIT的Robert Langer教授也是本文资深作者。

常用方法

此前，科学家们开发了多种方法将大分子导入细胞，但它们都或多或少存在着缺陷。例如，可以将DNA或RNA包装到擅长进入细胞的病毒中，但风险在于有些病毒DNA可能整合到宿主细胞基因组中。因此，这一方法虽然在实验室中很常见，但还未被FDA批准用于人类患者。

给大分子添加一个能穿过细胞膜的短蛋白，也能带着大分子一同进入细胞。或者也可以把DNA或蛋白包装在合成纳米颗粒中，导入细胞。不过，根据细胞类型和运输物质的不同，这些系统往往需要进行重新设计，比较麻烦。而且纳米颗粒携带的物质容易被细胞中的内吞体endosome捕获，可能从而产生有毒的副作用。

此外，人们广为采用的电穿孔，可能对细胞和所运输的物质造成破坏。

微流体系统

MIT的新系统可适用于许多细胞类型，研究人员已经用人类和小鼠的11种细胞进行了成功测试，包括胚胎干细胞和免疫细胞。该系统也同样适用于直接取自人类患者的细胞，这种细胞通常比实验室培养的细胞系更难操作。

这一新成果的基础建立在Jensen和Langer实验室以前的研究上，那时他们在细胞流经微流体设备时用显微注射将大分子导入细胞。这一过程中，他们发现当细胞挤压着通过狭窄管道时，细胞膜上的小孔打开，允许附近分子扩散进入细胞。

于是，研究人员建立了这个微流体芯片，其上有40-70个平行管道。他们将细胞悬浮在含有导入物质的溶液中，使其高速流过管道（约1m/s）。在管道中，细胞要通过比其直径小30-80%的窄道。研究显示，细胞不会受到任何无法恢复的损伤，仍能保持正常功能。

应用前景

研究团队正在力求将这一系统用于干细胞研究，帮助治疗多种疾病。他们已经成功将人成纤维细胞转化为多能干细胞，计划再用这一系统导入蛋白使干细胞分化为特定组织。

该技术还有一项重要应用，就使运送量子点，即由半导体金属组成的发荧光纳米颗粒。量子点能够用于标记单个蛋白或细胞内的其他分子，但如何将其导入细胞膜而不被内吞体endosome捕获令许多人头疼。

MIT研究人员曾于十一月发表文章，显示能够将量子点导入体外培养的人类细胞，同时避免颗粒凝聚或被内吞体捕获。现在，他们正在用量子点标记细胞中的特定蛋白。

研究人员还提出可以用这一新系统进行疫苗接种。理论上，科学家们可以取患者的免疫细胞，使其通过微流体设备并暴露在病毒蛋白中，然后再将细胞输回给患者。一旦进入体内，细胞可以激活免疫应答，赋予机体对病毒蛋白的免疫力。

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

A vector-free microfluidic platform for intracellular delivery

Intracellular delivery of macromolecules is a challenge in research and therapeutic applications. Existing vector-based and physical methods have limitations, including their reliance on exogenous materials or electrical fields, which can lead to toxicity or off-target effects. We describe a microfluidic approach to delivery in which cells are mechanically deformed as they pass through a constriction 30–80% smaller than the cell diameter. The resulting controlled application of compression and shear forces results in the formation of transient holes that enable the diffusion of material from the surrounding buffer into the cytosol. The method has demonstrated the ability to deliver a range of material, such as carbon nanotubes, proteins, and siRNA, to 11 cell types, including embryonic stem cells and immune cells. When used for the delivery of transcription factors, the microfluidic devices produced a 10-fold improvement in colony formation relative to electroporation and cell-penetrating peptides. Indeed, its ability to deliver structurally diverse materials and its applicability to difficult-to-transfect primary cells indicate that this method could potentially enable many research and clinical applications.