[实验新技术]新一代智能高效电穿孔技术

罗格斯大学的Mingde Zheng和Joseph Sherba开发了一种新型监测单细胞水平上电穿孔，分子传递的微流控平台。

　　

生物通报道：电穿孔技术（electroporation），也就是我们熟悉的“电转”，是指在外部增加短时强电脉冲时，细胞膜双脂层上会形成瞬时微孔，使细胞膜的通透性增强，离子、亲水分子、病毒粒子、DNA、蛋白质、染料等正常情况下不能通过细胞膜的颗粒，可以通过电穿孔技术进出细胞。

如立体模式图显示，当细胞通过“电转区”时，施加脉冲，电场线通常不将绝缘的细胞穿透，而是通过导电孔穿过细胞。

目前，电穿孔技术已广泛应用于生物技术、基因工程、临床医学等多个领域。比如，利用电穿孔实现基因转染、细胞融合、将外源蛋白质分子插入细胞膜、激活细胞膜的传输因子、提高酶的活性、提高药物进入细胞的能力、以及增强癌症的化疗效果等。据BioMarket Trend 报道，当前的转染业市值2亿美元，电穿孔技术位列第二，仅次于脂质体技术。CRISPR等基因编辑技术越来越多地用于临床治疗，转染技术不断拓展，电穿孔技术的行情也将水涨船高。

成功的细胞转染关系到众多生物医学研究以及生物产业链，包括细胞疗法、RNA干扰、以及干细胞研究。非病毒方法的外源载体转染技术面临的主要挑战在于不够稳定的、低下的转化效率，尤其是原代细胞系、干细胞系这类难转株。电穿孔技术的一个传统瓶颈在于，如何以不牺牲细胞生存能力为前提，取得高效的转化率。成功的电转技术涉及了电场、缓冲参数等方方面面的优化，需要考虑到不同的细胞系、分子负载等，以达到转化效率和细胞损伤量的理想平衡。如此而来，一个成功的电转技术的可能经历过反复失败，并且很可能在另外一个实验室或另一项应用中将无法重复。

最近罗格斯大学的研究人员开发了一种新一代的，避免细胞受损的高效电穿孔技术。

该项研究的创新之处在于，对连续流动环境中细胞膜通透性的阻抗检测达到了前所未有的灵敏度。通过监测单个细胞，暴露于瞬时高强度的电场中的电特性的变化，即可鉴定出何时细胞开始通透，以及确定分子进入细胞时维持细胞完整的条件。这项技术能用于不同细胞类型、应用类型，以及不同的障碍，加快转染技术优化过程。

具体来说，这一技术是根据广泛的理论建模所成立的“微型电穿孔平台”，包括一个微流体设备（由合流微流控“电转区”）和一组可以感知流过细胞的律动、以及细胞膜通透性的电极组成。负责这台设备运转的微型集成电路芯片，内置了一个根据客户需求定制的LabVIEW算法，将持续监视细胞由入口进入“电转区”的通道。当检测到一个细胞，就有一个既定的电脉冲施加这个细胞上，然后通过监视电信号来判断细胞膜通透性的变化，最终决定以治疗为目的，该细胞的有效荷载潜力。

研究组对各项参数进行了广泛的研讨，包括电场强度和脉冲持续时间，以及电测量膜阻抗反应等等。发现膜通透性的程度取决于所使用的脉冲的强度。

脉冲持续时间0.8-1ms内，膜通透性显著增加。通过光学监测荧光探针或碘化丙啶向完整的细胞内扩散（非电转）情况，也证实了该动态。细胞存活率的动态也被证明是依赖于所施加的脉冲的强度和持续时间。

除了以上实验结果，罗格斯大学的生物医学和机械工程团队更进一步地将这项技术发展成一个智能的可自发系统——集合了直流式、反馈、控制、单细胞级别等功能的电穿孔平台。结合转化效果的改善，该技术将会使电穿孔技术的应用更为普遍，甚至取代病毒转染。可以预见的产业化生产线：一个基本硬件设备+一个临时芯片（负责控制电脉冲和监视通透性的实时监控软件）。最终，以简便、重现性好、稳定等优势在基础实验室、生物技术开发生产实验室、以及临床试验感兴趣的细胞移植等领域广泛使用。（生物通：卢兆丹）

原文标题：

Continuous-flow, electrically-triggered, single cell-level electroporation