導(dǎo)讀:一個(gè)來自日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一個(gè)納秒脈沖的激光輔助光穿孔技術(shù),使用的是二氧化鈦納米管來實(shí)現(xiàn)了高效率和低成本的細(xì)胞內(nèi)傳遞.這一最新研究成本發(fā)表在2021年出版的期刊《 Applied Surface Science》上.

圖１　該成果的藝術(shù)構(gòu)圖

圖解: (a) 二氧化鈦納米管頂部的胞狀結(jié)構(gòu)和 (b)使用一排納米管和脈沖激光之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模平行光穿孔

提高輸送外部分子進(jìn)入活體細(xì)胞的同時(shí)且具有高的細(xì)胞活性和傳輸能力的潛力在用于診斷,藥物輸送和細(xì)胞生物學(xué)等方面和治療發(fā)展基于細(xì)胞治療和再生醫(yī)學(xué)等方面具有非常重要的意義.在過去的許多年里,藥物輸送系統(tǒng)的發(fā)展促進(jìn)了藥物劑量的更加精準(zhǔn)的控制和減少了副作用的危害.這些技術(shù)可以分為病毒、物理或化學(xué)方法三大類.

在這些辦法中,光致孔作用自問世以來已經(jīng)迅速的在細(xì)胞內(nèi)傳遞領(lǐng)域成為非常流行的一種技術(shù),這主要得益于該技術(shù)的侵襲性比較低.在這一辦法中,金納米粒子,吸收脈沖光,分散 在溶液中來打孔細(xì)胞,然而,這一材料卻比較昂貴.比較理想的是使用相對(duì)比較廉價(jià)的納米材料且同時(shí)可以保證高的輸送效率和細(xì)胞活性.

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制造了一個(gè)低成本的納米管排列用于基于光穿孔的細(xì)胞內(nèi)傳遞.二氧化鈦納米管在鈦合金板材上在不同的電壓和時(shí)間下使用電化學(xué)陽極氧化技術(shù)來形成.采用XPS(X射線電子能譜,X-ray photoelectron spectroscopy (XPS))揭示了不同TiO2種類的存在,諸如TiO2 和 TixOy (TiO/Ti2O3/Ti3O5).二氧化鈦納米管在不同的陽極氧化電壓和時(shí)間下具有不同的濃度,如氧化物的種類沿著Ti金屬具有少量的質(zhì)量.由于形成氧缺陷,納米管具有準(zhǔn)金屬和金屬的特性.這些納米管的特性也許會(huì)在納秒脈沖激光輻照后通過不同的機(jī)理促進(jìn)細(xì)胞間的輸送.

圖２　在二氧化鈦納米管上進(jìn)行光致孔作用進(jìn)行貨物交付的可能的機(jī)理的示意圖

HeLa-人宮頸癌細(xì)胞在納米二氧化鈦納米管和生物分子溶液中培養(yǎng).在納米管中暴露在532nm的納米脈沖激光下,研究人員成功的輸送了碘化丙啶（PI）和葡聚糖到HeLa上,在這一人宮頸癌細(xì)胞上具有高效的輸送效果和高的細(xì)胞活性.

細(xì)胞膜穿孔的可能的機(jī)理包括:熱介導(dǎo)納米氣泡,光化學(xué)誘導(dǎo)活性氧,自納米管到細(xì)胞膜的熱傳遞,在這一納米管局部表面等離子體共振強(qiáng)電磁場(chǎng)等.這就導(dǎo)致在每一個(gè)細(xì)胞膜-納米管的界面上空化納米氣泡的形成,將會(huì)快速的生長,合并和坍塌,從而導(dǎo)致爆炸,導(dǎo)致細(xì)胞膜的穿孔,這促進(jìn)生物分子自細(xì)胞外部到細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行輸送.這一在二氧化鈦納米管為基礎(chǔ)的輔助光穿孔的細(xì)胞間的輸送的精準(zhǔn)的機(jī)理仍然不清楚.細(xì)胞間的輸送也許是幾個(gè)不同機(jī)理的混合效應(yīng),豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)的L. Mohan說到.

圖３　氧化鈦納米管在15 V@2 h的條件下形成的3D圖 (a-c) 和 2D (d-f) 圖

Moeto Nagai, 是豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)的關(guān)于這一項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者,相信二氧化鈦納米管可以是形式多樣的和低成本的平臺(tái)用于使用脈沖激光來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間的輸送.這一裝置多變的突出的特征具有平行和控制均勻的輸送的特點(diǎn),且具有高效率和細(xì)胞活性的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)應(yīng)用在細(xì)胞質(zhì)量和再生醫(yī)生上非常有潛力.

圖4 一個(gè)以AuNS層為介導(dǎo)的等離子體光穿孔平臺(tái)在激光輻照的前提下用于生物分子的輸送輸送至粘附細(xì)胞

圖解:這一成果是2018年俄羅斯科學(xué)院所發(fā)展的一個(gè)新辦法,基于星狀的金納米粒子的合成,該合成是通過激光輻照來實(shí)現(xiàn)的.具有寬廣的可定制的條件為制造舒適的環(huán)境來提供不同的物質(zhì)來輸送至不同類型的細(xì)胞中提供了一個(gè)新的技術(shù).該成果是是價(jià)格比較昂貴的金為載體的,這是該成果的一大缺點(diǎn).

文章來源:L. Mohan et al, Can titanium oxide nanotubes facilitate intracellular delivery by laser-assisted photoporation? Applied Surface Science，Volume 543, 30 March 2021, 148815，DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.148815，

參考文獻(xiàn):A novel cell transfection platform based on laser optoporation mediated by Au nanostar layers,Timofey Pylaev Ekaterina Vanzha Elena Avdeeva Boris Khlebtsov Nikolai Khlebtsov,Journal of Biophotonics,11 September 2018 https://doi.org/10.1002/jbio.201800166