根特大學(xué)(Ghent University)的Kevin Braeckmans教授在過去的10年里專注于用光熱納米纖維安全工程治療細(xì)胞的方法。我們從《Nature Nanotechnology》上可以了解這些生物相容的光熱納米纖維是如何開發(fā)的，以及在激光照射下，與這些納米纖維親密接觸的細(xì)胞是如何被“穿透”的，并可以用各種效應(yīng)分子轉(zhuǎn)染，包括CRISPR/Cas9核糖核蛋白復(fù)合物和siRNA。

細(xì)胞療法（Cell-based therapies）是一種較新的治療形式，通過向患者體內(nèi)注射轉(zhuǎn)基因細(xì)胞來預(yù)防或治療疾病。一個(gè)眾所周知的例子是癌癥患者自身的免疫細(xì)胞，這些細(xì)胞可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中分離、遺傳修飾和擴(kuò)增，然后再次注入患者體內(nèi)以攻擊腫瘤細(xì)胞。

示意圖 來源: DOI: 10.1038/s41565-021-00976-3

細(xì)胞的遺傳修飾依賴于細(xì)胞內(nèi)遞送技術(shù)，這種技術(shù)通常效率不高，同時(shí)對(duì)細(xì)胞的健康和功能影響最小。在這方面，納米粒子敏化光穿孔技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯、應(yīng)用前景，因?yàn)檫@種技術(shù)通常具備高效率、高通量和低毒性。該技術(shù)基于金納米粒子(gold nanoparticles，G-NPs)等光響應(yīng)納米粒子的使用，比如金納米粒子可以在脈沖激光照射下形成爆炸性納米氣泡，這些微小的爆炸可以在細(xì)胞膜上誘導(dǎo)小孔，讓細(xì)胞介質(zhì)中補(bǔ)充的外部效應(yīng)分子進(jìn)入細(xì)胞。

然而，納米粒子敏化光技術(shù)向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化受到細(xì)胞與(不可降解的)納米粒子接觸這一事實(shí)的阻礙，引起了毒理學(xué)和醫(yī)療監(jiān)管相關(guān)方面的擔(dān)憂。因此，需要一種新的方法來保持納米粒子敏化光穿孔的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免納米粒子和細(xì)胞的直接接觸。

Braeckmans教授和他的團(tuán)隊(duì)將光熱氧化鐵納米粒子(iron-oxide nanoparticles,IONPs)嵌入到通過靜電紡絲生產(chǎn)的生物相容性聚合物納米纖維中。聚己內(nèi)酯(Polycaprolacton,PCL)是一種生物相容性聚合物，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，而離子聚合物具有成本效益，并且具有寬的光吸收光譜。

他們表明，在納秒激光脈沖照射下，貼壁細(xì)胞和懸浮細(xì)胞都可以安全有效地轉(zhuǎn)染一系列大分子。通過電感耦合等離子體-串聯(lián)質(zhì)譜(ICP-MS/MS)進(jìn)行元素分析，他們證實(shí)了離子聚合物在激光照射后仍然安全地嵌入納米纖維中，因此處理過的細(xì)胞有效地避免了直接暴露于納米顆粒。為了更好地理解激光脈沖注量、離子液體分布和聚集狀態(tài)如何影響細(xì)胞膜通透性，對(duì)從纖維嵌入的離子液體到附近細(xì)胞的熱傳遞進(jìn)行了數(shù)值模擬。

該團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)證明，利用光熱納米纖維進(jìn)行光穿孔可以成功地將包括siRNA或CRISP-Cas9核糖核蛋白(RNPs)在內(nèi)的功能性生物分子遞送至貼壁細(xì)胞和懸浮細(xì)胞，包括人胚胎干細(xì)胞(hESC)和原代人T細(xì)胞。用最先進(jìn)的電穿孔進(jìn)行了比較。盡管電穿孔細(xì)胞的表型和功能發(fā)生了變化，但光穿孔細(xì)胞卻仍保持其增殖能力，而CAR-T細(xì)胞則還能殺死腫瘤細(xì)胞。

PEN光穿孔能有效地將大分子細(xì)胞內(nèi)遞送至胚胎干細(xì)胞

最后，用PEN光穿孔將siRNA（靶向受體PD1——一種眾所周知的免疫檢查點(diǎn)抑制劑）轉(zhuǎn)染CAR-T細(xì)胞。證實(shí)siPD1處理的細(xì)胞在體內(nèi)具有增強(qiáng)的腫瘤殺傷能力。

總之，它表明光熱納米纖維的光作用能夠在多種細(xì)胞類型中高效、安全地在細(xì)胞內(nèi)遞送廣泛的效應(yīng)分子，而不接觸潛在的有毒光熱納米顆粒。Braeckmans教授說：“我們認(rèn)為，這是朝著利用光穿孔安全有效地生產(chǎn)基因修飾細(xì)胞療法邁出的重要一步。”

來源：Ranhua Xiong et al, Photothermal nanofibres enable safe engineering of therapeutic cells, Nature Nanotechnology (2021).