未止科技：黑科技，只需輕輕一碰，這個納米晶元即可讓傷口痊癒

相信大家科幻電影中經常看到這樣的片段：某個神奇的儀器只需輕輕觸碰人體，就立刻治癒了嚴重的傷口。

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還在幻想未來的景象嗎？現在，這種不可思議的技術已經變成了現實！來自美國俄亥俄大學的科學家們剛剛開發出一種納米生物晶元，只需輕輕觸碰傷口幾秒鐘，就可以快速激活細胞再生，使創傷在短期內治癒。目前，他們已經成功治療了小鼠腿部重傷，並利用這種技術將皮膚細胞轉換為腦神經細胞，從而幫助治癒小鼠的中風。不得不說，這是再生醫學領域裡程碑式的突破！近日，《Nature Nanotechnology》刊登了該研究的論文 ，揭開了它的神秘面紗。下面，未止科技小編就帶領大家詳細了解一下這項技術吧。

多年以前，中山申彌就發現，細胞重編程（cell reprogramming）技術能夠把普通細胞轉變為誘導全能幹細胞（iPSC）- 這些幹細胞可以在培養皿中重新分化成特定的組織細胞，把它們移植回人體就能起到治療創傷和組織再生的作用。細胞療法（cellular therapy）由此誕生，成為了一種十分有潛力的再生醫學手段。然而，體外進行的細胞重編程常常在誘導和分離環節遇到阻礙，並且原始細胞的來源受到很大限制。因此，近年來，科學家們正在急切地尋找方法，使細胞重編程能夠在體內進行 - 這樣一來，病人就可以「自產」幹細胞了！不僅有充裕的細胞源，還能極大提升治療效率。

可惜的是，目前的體內重編程技術主要依靠病毒轉染來導入編程基因 - 它的靶向隨機性無法避免，而且很容易帶來細胞死亡、組織感染等副作用。

為了解決這個難題，美國俄亥俄大學的Chandan Sen博士開發出了一種名叫「組織納米轉染（tissue nanotransfection，簡稱TNT）」的技術：它可以直接將重編程因子DNA通過納米通道輸送到目標細胞內部，從而不藉助病毒實現體內重編程！

從本質上來說，TNT其實是一種基因遞送（Gene Delivery）技術。

首先，這個晶元上布滿直徑500納米的微管，編程因子的基因會被搭載到晶元的表面。

隨後，當這個晶元接觸到創傷表面的皮膚時，科學家會對晶元和皮膚之間施加250V的電壓。在電場的作用下，細胞膜表會進行擴張，自然形成一些微孔。Chandan博士表示，這些微孔會佔據細胞膜總面積的2%【2】。這樣一來，晶元上的納米管道就與細胞連接起來了，形成了一個通道。

最終，電場會迫使晶元搭載的DNA向子彈一樣射入細胞（類似電泳的原理），從而實現對錶皮細胞的重新編程。

總之，核心就是兩個要素：晶元 - 遞送基因的工具；搭載的基因- 決定重編程的類型。

聽起來好像也沒有什麼特別之處嘛！Shandan博士表示，千萬不要小看它，因為它的效率和準確性是十分驚人的。首先，一塊指甲蓋大小的晶元，完成基因遞送只需要0.1秒 - 真的是「輕輕一碰」！其次，它的遞送效率能夠達到100% - 而截止今天，沒有任何其它技術能夠超過98%【2】。

在體外研究中，Shandan博士發現，使用Etv2，Foxc2和Fli1三種編程因子DNA的組合（EFF），可以讓皮膚細胞轉變成誘導內皮細胞（iEC）- 它們可以重新分化為血管壁細胞。進一步研究表明，EFF遞送確實可以促進血管生成。於是，Shandan博士開始考慮活體實驗：是不是可以使用TNT遞送EFF因子，直接治療動物的血管創傷？

Shandan的研究小組立刻找來的小鼠作為實驗對象，並人為損傷了小鼠的後肢血管，造成了局部貧血癥狀（聽上去有點殘忍。。。）。三天後，一部分幸運的小鼠接受了TNT技術的治療 - 利用一塊2X1厘米的晶元，接觸受傷血管上面的皮膚幾秒鐘，便注入了EFF因子。而另一部分可憐的小鼠則作為對照組，沒有接受任何治療。一周後，注入EFF因子的小鼠，部分表皮細胞開始轉變為血管細胞。兩周之後，新血管開始生成。第三周，更神奇的事情發生了：這些小鼠的血管煥然一新，完全得到了治癒！

下圖展示了該研究最核心的成果。在TNT治療後，原本沒有血液流動的創傷區域，又恢復了活躍狀態。而從生理外觀來看，小鼠後肢也完全恢復了正常【3】。而對照組小鼠的創傷卻無法自然癒合。

免疫熒光實驗也清楚地展示了血管生成過程中的關鍵標誌物。

看到這裡，大家心裡肯定有疑惑：晶元只能接觸到少量表皮細胞，而血管卻在深處的肌肉中，iEC是如何到達這些區域的？它們又是如何精確定位創傷位置的？

遺憾的是，這背後的原理暫時並不明確，需要進一步驗證。不過，Shandan博士也根據研究給出了推測：細胞能夠通過胞外囊泡（EV）將轉染的cDNA/mRNA擴散到更深處的組織 - 此時，EV能夠作為iEC重編程信號傳播的媒介。如下圖所示：

簡單，高效，低成本，無副作用是TNT技術的最大優勢。Shandan的合作者James Lee博士表示：」這是一個非常簡單的概念。說實話，它能夠有如此好的效果，我們自己都很驚訝！」

不要以為TNT技術僅僅可以治療血管，Shandan博士表示，它的潛力是無限的，可以治療各種組織的損傷，甚至可以放置到體內，直接治癒器官創傷 - 理論上，只要設計好重編程因子，就可以治療一切創傷！

目前，Shandan的小組已經進行了更大膽的嘗試：他們利用TNT技術，在小鼠皮膚表面培養出腦神經細胞，然後收集它們，用來治療小鼠大腦創傷。令人驚訝的是，當他們把這些細胞注射到中風小鼠的大腦後，竟然讓這些小鼠恢復了正常，完全治癒了中風！

下一步，Shandan最希望的就是在一年內將TNT應用到人體臨床試驗。祝願他們早日成功，治癒更多病人的傷痛！

參考資料：

【1】DOI: 10.1038/NNANO.2017.134

【3】http://osuwmc.multimedia-newsroom.com/index.php/2017/08/07/breakthrough-device-heals-wounds-in-lab-tests-with-a-single-touch/

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