微型晶元可實現細胞「變種」，皮膚細胞有望成為人體損傷救命稻草

一直以來，人體中形形色色的細胞都被視作構成生命的基礎，但細胞的多樣性也意味著一旦某一部分的組織或器官出現損傷的話，其它健康完好的細胞很難作為「救火隊員」，立馬進行修補。

為了解決這個問題，俄亥俄州立大學再生醫學和細胞治療中心的 Chandan Sen 博士和 L. James Lee 博士所領導的研究團隊開發了一種只有指甲大小的攜帶型晶元，它可以在不到一秒的時間之內對皮膚細胞完成轉染，並將之轉換成人體內任何其他類型的細胞。而這一技術也被發表在 8 月 7 日的《Nature Nanotechnology》上。

圖丨皮膚轉染晶元

這種被稱為非侵入性組織納米轉染（The noninvasive tissue nanotransfection，TNT）的技術已經在老鼠和豬身上做過了相關的實驗。在使用 TNT 技術後，這些動物的皮膚細胞能夠被誘導形成完整的血管，並且和現有的脈管系統進行連接，進而治療壞死的皮瓣、挽救嚴重缺血的傷腿等。

在後續實驗中，研究人員甚至將小鼠的表皮細胞轉化成為了功能健全的神經元。在幾周時間內，這些神經元就可以從動物的皮膚表面被移植入動物腦中，從而逆轉因為中風而留下的後遺症。

圖丨神經元細胞

總的來說，TNT 可以被歸類為一種微型電穿孔技術，最早是由 Lee 團隊於 6 年前研發的。它由兩個主要的部分組成，一是引誘可塑性的負荷，該負荷可能是質粒、DNA 或者 RNA。利用 RNA，可以把基因整合的風險降到最低。二是納米電穿孔晶元，該晶元是利用微納米合成技術製備得到的。

而微型電穿孔技術的特點就是能將新細胞的重編程基因直接通過細胞外膜上開啟的的臨時通道注入表皮細胞中。在這一過程中首先將搭載有重要重編程因子的晶元放置於皮膚表面，然後，電流會間歇性地通過晶元，從而在細胞外膜中打開微型通道，基因也正是從這些通道中被注入表皮細胞的。

俄亥俄州立大學化學與生物分子專業的 Lee 教授說，「由於納米孔的電阻非常大，電流實際上是很小的。因此，這一手段是安全的，對轉染的細胞或組織所造成的損傷幾乎可以忽略不計。」

圖丨 Chandan Sen 博士手持晶元

不僅如此，Chandan Sen 博士還強調，TNT 技術在實踐過程中不需要大型的實驗室器材或精密的操作技巧，可以在醫護場所甚至生活場景中直接進行實施。整個過程僅需要不到一秒，只需要把晶元貼附於皮膚表面就可以了。

「你只需要一枚晶元、細胞轉變所需的重編程因子和一個電源。」他說。若是組織和器官病變或受傷，我們可以通過 TNT 技術將皮膚細胞轉變為所需要的任何種類細胞。此時此刻，患者的皮膚就像是一片土壤肥沃的「農場」，只要栽種下皮膚細胞，就可以「收穫」各類型的人體組織細胞。一個例子就是，利用 TNT 技術可以在 3-4 周的時間內就將皮膚細胞轉換成可以植入大腦的神經元，而研究者們目前已經成功在小鼠皮膚表面培育了成千上萬的神經元。

Sen 博士又補充說，使用電穿孔技術輸送非病毒性基因並不是什麼新鮮事，但是傳統電穿孔技術所需要的複雜操作則大大限制了它的成功率，「複雜的電穿孔操作使整個細胞膜都能夠被滲透，並會影響細胞骨架，從而降低細胞的可塑性。

圖丨電穿孔技術操作示意

與此相反的是，TNT 技術在細胞膜內產生一系列微型通道，並且僅影響細胞表面2%的區域，不會抑制細胞的可塑性。在 TNT 技術的使用過程中，我們已經實現了超過98%的轉染效率與細胞轉化的成功率。」

在研究人員發表在《Nature Nanotechnology》 的論文中，他們詳細地描述了在小鼠體內進行的兩組實驗。在實驗中，他們將皮膚細胞重編程，並將其轉化為血管細胞。第一組小鼠的血管細胞用於防止小鼠的全層皮瓣壞死；第二組小鼠的血管細胞則是用於搶救因被移除了股動脈而缺血的四肢。

在未經處理的對照組中，小鼠的腿由於缺乏血液流動而迅速壞死，而使用 TNT 技術治療的小鼠後腿則在幾周之內長出了能夠正常工作的血管。三周過後，這些小鼠並沒有接受除了 TNT 之外的其它治療，但是它們已經長出了功能健全的血管，受傷的四肢也幾乎痊癒。

圖丨使用TNT 技術的修復對照實驗

Sen 博士表示，他們利用有序的納米陣列，將目標因子輸送到身體中，實現組織重新編程，而不僅僅是細胞的重新編程。通過重編程皮膚細胞可以產生血管，在不需要其他任何補充的情況下，就可以修復四肢。他表示，「我們不僅僅製造血管原性細胞，而是製造上百個功能血管，這才是最大的區別所在。」

他認為這項技術的潛在應用是巨大的。利用皮膚細胞，除了可以產生血管和功能性神經元，研究人員還把老鼠皮膚細胞轉化成產生胰島素的細胞，用以針對動物血液中的葡萄糖含量水平來分泌胰島素。

Lee 博士也表示，基於皮膚的轉染或者重新編程技術有很多潛在的應用，比如 DNA 疫苗、糖尿病人的神經元再生以及某些情況下的頭髮再生。此外，TNT 技術還可應用於其他組織。他們成功證實了 TNT 技術用於肌肉組織和脂肪組織（重新編程白脂肪細胞轉化為褐色脂肪細胞）。除了皮膚組織，TNT 技術還適用於外表組織（比如眼睛、耳朵等）以及外科手術中裸露的組織（比如骨骼修復、器官診斷等）。

不過，在轉染技術的蔓延性問題上，Sen 博士還是做出了特別的強調。雖然轉染技術本質上是局限於皮膚最外層的表皮細胞，但是實際上轉染效應還會蔓延到真皮細胞。他們在論文中也提到，「研究結果表明 TNT 技術不僅僅應用於重新編程因子的局部傳送，而且適用於重新編程刺激物蔓延（從表皮到真皮）的協同反應。」

「對於轉染技術能夠蔓延到更深層的皮膚組織細胞，我們感到非常驚奇。目前，我們的研究結果表明轉染的表皮細胞能夠釋放功能性生物分子（包括 mRNA 和蛋白質），這使得轉染效應傳遞到組織中的其他細胞。」Lee 博士說。但該過程發生的詳細機理有待於進一步研究。

不過，即便轉染效應會蔓延到真皮細胞之中，也無需對此過多擔心。因為相較於現有的實現活體組織轉染的物理方法，比如電穿孔和基因槍，TNT 技術更加溫和，造成的組織損傷最小。

當然，他們對於 TNT 技術應用的探索也並未停止。Lee 博士早期的研究就曾證明使用以 TNT 為代表的納米電穿孔技術輸送其它核酸貨物的潛力，這是正在進行的一個重要的研究領域。他說，「在我們的體外細胞轉染研究中，我們已經證明 2D 和 3D NEP 生物晶元還可以將微小 RNA（miRNA）和小干擾 RNA（siRNA）載體遞送到癌細胞，通過影響致癌基因來殺死細胞。除此以外，我們也在參照 CRISPR / Cas9 基因編輯技術來應用 TNT 技術。」

Sen 博士指出，在爭取 FDA 批准的情況下，初步的 TNT 臨床試驗可在一年內開始，用於嚴重的肢體缺血應用。一個小型的美國國立衛生研究院（NIH）資助項目目前就在支持神經病學領域的早期工作，該團隊還與沃爾特里德陸軍醫療中心（Walter Reed Army Medical Center）合作，進行 TNT 技術拯救受傷的四肢和周圍神經損傷的潛在應用。

圖丨美國國立衛生研究院

「我們為臨床應用優化了 3D TNT 的晶元設計，下一步將會開展與生產製造商的合作。」Sen 博士說到。而開發出具有成本效益的製造技術，使用最佳的生物相容材料顯然已經被納入了合作的考量之中。

研究人員目前正處於與台灣電子巨頭富士康簽訂潛在協議的初期階段，而 TNT 的其他許可證持有者也對這項技術的臨床應用翹首以待。Sen 博士說，「知識產權已經得到保護，但我們也希望不同的組織都可以採用這項技術，並開發出更加廣泛的應用。」

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