將外源性大分子（例如糖類、蛋白質(zhì)、基因等）傳遞到細胞和組織中近年來被用于細胞和基因治療。目前，相關研究已經(jīng)開發(fā)了各種不同的細胞內(nèi)大分子傳遞策略，包括化學方法（如脂質(zhì)體、多陽離子等）和物理機械方法（如電穿孔、光穿孔、納米針等）。然而，目前仍缺乏一種高效、非破壞性且適用于體內(nèi)/體外的通用大分子傳遞策略。

光熱方法具有高通量、廣泛的適用性、非破壞性和遠程操作的優(yōu)勢。然而，光熱方法難以實現(xiàn)外源性分子的定向傳遞，這限制了細胞內(nèi)傳遞效率。盡管一些研究人員已經(jīng)嘗試通過人為擠壓來實現(xiàn)外源性分子的定向傳遞，但光熱介導的細胞內(nèi)傳遞效率仍受操作時間差異的限制。因此，通過激光實現(xiàn)外源性分子的定向傳遞成為設計體內(nèi)/體外通用細胞內(nèi)傳遞策略的關鍵。

近期，蘇州大學化學化工與材料科學學院的通訊作者陳紅教授和江蘇百賽飛公司的王蕾博士合作，開發(fā)了一種稱為光熱泵（PTP）貼片的新型技術，用于高效、非破壞性地將治療性大分子傳遞到目標細胞和組織中，適用于體外和體內(nèi)應用。在這種方法中，通過激光照射，細胞膜發(fā)生可逆性破裂，與此同時，"外源性分子儲庫"也發(fā)生收縮，從而實現(xiàn)了大分子的定向傳遞入細胞，最終達到了高效的細胞內(nèi)傳遞。PTP貼片被認為是一種通用結(jié)構，可用于實現(xiàn)高效、非破壞性的體外/體內(nèi)細胞內(nèi)大分子傳遞。在體內(nèi)經(jīng)皮細胞內(nèi)傳遞實驗中，研究團隊證明了這一技術的有效性。通過使用PTP貼片和由表皮細胞產(chǎn)生的外泌體，目標基因被高效地且無創(chuàng)地傳遞到表皮細胞和真皮細胞中。相關論文以“Universal Strategy of Efficient Intracellular Macromolecule Directional Delivery Using Photothermal Pump Patch”為題，發(fā)表在Advanced Materials期刊上。第一作者是蘇州大學化學化工與材料科學學院的Heming Tang博士。

PTP貼片原理

基于熱膨脹和收縮的響應特性，研究人員提出了一種稱為光熱泵（PTP）貼片的新技術，通過激光驅(qū)動外源性分子的定向傳遞，并將其應用于體內(nèi)/體外細胞內(nèi)大分子傳遞。研究人員設計了帶有許多“外源性分子儲庫”的PTP貼片。在激光照射下，貼片中的光熱材料引發(fā)局部細胞膜破裂，同時擴張聚二甲基硅氧烷（PDMS）以驅(qū)動孔徑收縮，為外源性分子傳遞提供了瞬時的定向驅(qū)動力，從而實現(xiàn)了高效的大分子傳遞（圖1A）。在體內(nèi)經(jīng)皮基因傳遞中，PTP貼片可以將質(zhì)粒脫氧核糖核酸（pDNA）高效地傳遞到表皮細胞，然后通過由表皮細胞產(chǎn)生的外泌體，將目標基因傳遞給真皮細胞（圖1B）。

圖1 細胞內(nèi)大分子定向傳遞的體外/體內(nèi)原理示意圖，通過光熱泵貼片（PTP貼片）實現(xiàn)

PTP貼片的光熱效應

為了滿足激光在體內(nèi)/體外使用的安全標準（ANSI Z136.1-2014），研究人員設計了一種新的策略，通過將金納米棒用聚多巴胺殼包裹（GNR@PDA）來制備光熱材料。這些材料在透明的聚二甲基硅氧烷（PDMS）中均勻分布，使其保持優(yōu)良的透明度和光熱特性。通過激光的光熱效應，PTP貼片中的PDMS材料發(fā)生微小的熱膨脹，導致孔徑尺寸減小，從而引發(fā)細胞膜的破裂和外源性分子的定向傳遞。這使得PTP貼片成為一種高效、非破壞性、高適用性的細胞內(nèi)大分子傳遞方法。

圖2 （A、B）具有良好光熱特性的透明光熱材料示意圖；（C）通過摻雜不同含量的GNR@PDA將PDMS制備的光熱材料的可見光透過率；（D）以2.89 W/cm2的功率密度制備的摻雜不同含量GNR@PDA的PDMS光熱材料的光熱曲線

PTP貼片高效實現(xiàn)細胞內(nèi)傳遞

在該研究中，研究人員通過微細圖案表面設計，創(chuàng)造了能夠與細胞膜、光熱材料和外源性分子直接接觸的環(huán)境。實驗證明，PTP貼片能夠有效地將外源性分子（如熒光染料、蛋白質(zhì)和基因等）傳遞到細胞內(nèi)，實現(xiàn)高效的細胞內(nèi)傳遞。此外，研究人員還證明了PTP貼片在體內(nèi)的應用潛力，可以通過皮膚轉(zhuǎn)導的方式將基因傳遞到皮膚細胞中，同時證明了貼片的生物應用安全性。

圖3 （A-D）設計的圖案表面的掃描電子顯微鏡圖像；（E-H）不同外源性分子加載在表面上的共聚焦熒光圖像，包括SYTOX（紅色），異硫氰酸熒光素標記的牛血清白蛋白（FITC-BSA，綠色），熒光素標記的葡聚糖（綠色）和Cy5標記的質(zhì)粒DNA（紅色）；（I-L）PTP貼片中外源性分子的光熱驅(qū)動傳遞過程。隨著照射時間的增加，孔徑尺寸和熒光強度逐漸減小

綜上所述，這項研究提出了一種新穎的光熱泵貼片技術，用于實現(xiàn)高效、非破壞性的體內(nèi)/體外細胞內(nèi)大分子傳遞。研究人員指出，PTP貼片為治療皮下毛囊、血管、神經(jīng)以及皮下腫瘤等提供了新的可能性。此外，研究人員還展示了PTP貼片在轉(zhuǎn)導免疫檢查點阻滯治療藥物等方面的潛在應用，為治療皮膚疾病提供了廣闊的平臺。

審核編輯：劉清