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微流体和纳米流体细胞内输送

期刊综述    2021-09-18 15:44

 

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研究背景

➣为了将外部生物分子输送到细胞中,传统上使用工具,包括病毒载体和电穿孔;然而,它们对于在保持细胞活力、表型和功能的同时实现高水平的细胞内递送是次优的。

➣作为新兴的解决方案,微流控和纳米流体方法显示出应对这一挑战的巨大潜力。

➣本综述概述了微流体和纳米流体细胞内递送策略的最新进展,并讨论了临床应用的新机遇和挑战。

➣还概述了未来开发支持微流体和纳米流体的下一代细胞内递送平台的关键考虑因素。

 

机械等离子膜破裂介导的细胞内递送

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图1. 微流控细胞膜破坏介导的细胞内输送技术。

 

➣将通过机械(物理)手段和随后的微流体限制内的细胞内递送引入细胞膜破坏,如图 1a-f 所示。

➣膜破裂介导的细胞内递送的主要优点是递送对细胞和货物特性不太敏感。基于膜破裂的递送方法的一般原理是通过外力将分散或悬浮在溶液中的货物在物理膜穿孔后输送到细胞中。

➣机械力通过流体剪切、物理接触、微针或声学引起不稳定,从而破坏脂质双层膜,导致细胞膜破裂。一旦在细胞膜上产生不连续性(即纳米孔或纳米孔),附近的外部分子就可以通过扩散通过产生的膜纳米孔引入细胞质。

 

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图2 通过细胞和通道几何形状之间的物理接触的微流体细胞机械孔化策略。

 

➣通过将细胞与微通道内的固体结构物理连接,也探索了机械细胞膜破坏。

➣该方法包括两种策略:1) 使细胞通过一系列宽度小于细胞直径的狭窄通道,从而产生膜不连续性,2) 戳具有尖锐通道结构的细胞以穿透脂质双层。

➣微流控平台提供了一组旋钮来调整参数,如收缩尺寸和流动条件,只需通过调节通道几何形状或压力(即流速)来确定优化的输送条件。

 

微流控显微镜注射法

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图3. 微流控显微镜注射技术。

 

➣Adamo和Jensen提出了一种微流控单细胞注射系统,该系统采用拉拔玻璃微针嵌入PDMS微通道,该微通道可以在显微镜下通过3D微平台进行控(图3a)。

➣在后续研究中,同一组报告了一种微流体输送平台,通过将含有货物的液滴喷射到流动细胞中(图 3b)。

➣微喷嘴连接到微通道,一旦细胞通过微喷嘴区域,包含目标分子的亚皮升 (pL) 体积的流体射流会通过压电致动器分配到细胞中。

➣随着芯片上微流控微注射的探索,还研究了注射过程的自动化。Delubac等人报道了使用与显微注射器集成的微通道的果蝇胚胎自动注射系统(图 3c)。

 

空化作用

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图4.用于细胞内递送的微流体声穿孔和空化。

 

➣如图 4a 所示,对相邻细胞施加剪切应力、使细胞膜透化有两种主要策略:微泡的振荡,以及微泡的急剧膨胀和破坏(也称为惯性空化)。

➣关于惯性空化,高声压或激光能量可以使微气泡膨胀和坍塌,诱导流体流动以填充空隙。这种空化现象被用来通过对细胞施加剪切力来产生膜的不连续性。

➣声流技术不仅有助于细胞分析的创新方法的发展,也有助于细胞内输送,即所谓的声孔。

➣研究表明,尽管有可能将药物材料传送到3D细胞培养微流控芯片中,但伴随而来的是重要的微泡生成和脂质载体包封步骤。

 

电穿孔用于细胞内输送

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图5. 电穿孔示意图:a) 在比色皿中(也称为大容量电穿孔)和 b)毛细管(也称为毛细管电穿孔)。

 

➣电穿孔是一种通过电场使细胞膜通透的技术,允许外来物质进入细胞。由于电穿孔在不同细胞类型中表现出相对一致的传递性能,它已成为最流行的细胞内传递策略之一。

➣电穿孔的纳米孔形成现象可以通过调节脉冲持续时间、频率和电压来优化,以实现高水平的细胞内输送外部物质。

➣如图 5a 所示,将含有细胞和货物的导电缓冲液置于比色皿中,并放置两个平行电极以产生电场。

➣首先使用高压电场和短持续时间(10-20 μs)的高压脉冲来诱导有效的膜透化。然后,再次施加具有较长脉冲(≈10 ms)的较低电压,以通过电泳将分子转运到细胞质中。最后,通过优化电参数(如脉冲强度、持续时间、 数量和脉冲之间的时间间隔

 

微流控电穿孔

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图6. 微流控静态电穿孔。

 

➣微流体还为精确和温和的细胞操作提供更高的流量可控性,这可能允许强大的细胞内递送,具有毛细管电穿孔无法完全提供的可扩展性。

➣Khine 等人报道了一种在 PDMS 玻璃芯片上具有平面设计的单细胞电穿孔器。该平台采用水动力细胞陷阱设计,其中细胞通过施加到捕获通道的负压固定(图 6a)。

➣2011 年,Lee 小组报道了能够高试剂剂量控制和快速运输的纳米通道电穿孔(图 6b)。

➣静态电穿孔是使用与传统原子力显微镜 (AFM) 集成的纳米探针进行的。该系统的关键特征,称为探针,是嵌入悬臂的微通道的集成(图 6f)。

 

结论

01

基于微流体和纳米流体的细胞内输送策略在输送效率和可行性、低成本、流程标准化等方面取得了较大发展,现在,它们的应用正在向临床试验和商业化迈进。

 

02

微流控集成可以达到高水平的转染性能,在性能上超过现有技术;然而,该系统经常变得过于复杂,医生或生物学家无法使用。

 

03

商业化的努力应同时继续进行,批量电穿孔已成功商业化。一些新创公司基于微流体的发展,最近开始开发新的细胞治疗方法。

 

04

随着基于细胞的治疗、日益增长的关注和正在进行的商业化努力带来的新机遇,微流控和纳米流控细胞内传输技术通过不断的开发和优化,有潜力成为下一代细胞内传输平台。