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南京林業(yè)大學(xué)黃超伯/熊燃華課題組 Nat. Protoc.:光熱電紡納米纖維的胞內(nèi)遞送及其在細(xì)胞免疫治療的應(yīng)用
2025-01-23  來(lái)源:高分子科技

  為了實(shí)現(xiàn)預(yù)防、診斷、治療等藥效功能,生物大分子藥物往往需要穿透細(xì)胞膜進(jìn)入胞內(nèi)。因此,生物藥物胞內(nèi)遞送是生物藥物面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題。由于光介導(dǎo)的胞內(nèi)遞送方法具有較好的通用性和調(diào)控性,適用于各類細(xì)胞和各種生物藥物的遞送,尤其是在體外或離體處理的情況,因此受到了越來(lái)越多的關(guān)注。


  黃超伯/熊燃華課題組長(zhǎng)期致力于功能性生物大分子胞內(nèi)遞送研究,利用光熱納米顆粒(NPs)富集于細(xì)胞表面進(jìn)行光穿孔,光熱NPs產(chǎn)生的瞬時(shí)光熱效應(yīng)可以將功能性生物大分子溫和地遞送至活細(xì)胞中,適用于多種細(xì)胞類型和生物大分子。然而,該光穿孔技術(shù)依賴于細(xì)胞與光熱NPs的直接接觸,這在臨床應(yīng)用中,特別是在癌癥患者自體免疫T細(xì)胞功能化改造過(guò)程中,面臨安全性和監(jiān)管的諸多挑戰(zhàn)。為此,研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種基于光熱靜電紡納米纖維(PEN)介導(dǎo)的光穿孔技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)將光熱NPs嵌入靜電紡納米纖維中,作為細(xì)胞培養(yǎng)的基底,利用光熱效應(yīng)誘導(dǎo)細(xì)胞膜透化,進(jìn)而有效遞送生物大分子至各種細(xì)胞類型。與傳統(tǒng)方法相比,該技術(shù)避免了細(xì)胞與NPs的直接接觸,從而顯著降低了安全性和監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn)。與常用的物理轉(zhuǎn)染方法——電穿孔相比,PEN光穿孔對(duì)細(xì)胞的損傷更小,能夠獲得更高質(zhì)量的工程化改造細(xì)胞,展現(xiàn)出更強(qiáng)的臨床治療潛力(Nat. Nanotechnol. 2021, 16, 1281Adv. Mater. 2021, 33, 2008379、Nat. Commun. 2022, 13, 1996)。


  近日,該課題組進(jìn)一步報(bào)道了PEN光穿孔用于胞內(nèi)遞送的方法和詳細(xì)步驟,包括靜電紡絲法制備PEN基底、細(xì)胞與納米纖維的共培養(yǎng)、PEN光穿孔所需激光平臺(tái)的構(gòu)建、光穿孔的影響因素(如NPs濃度、激光功率和掃描時(shí)間)以及如何針對(duì)特定細(xì)胞類型優(yōu)化該過(guò)程(1)。采用最優(yōu)光響應(yīng)納米纖維遞送siRNA至人體免疫T細(xì)胞內(nèi),可抑制PD-1蛋白的表達(dá),并在腫瘤小鼠模型中顯著提高了CAR-T細(xì)胞的腫瘤細(xì)胞殺傷效率。


  2025122日該成果以“Photothermal nanofiber-mediated photoporation for gentle and efficient intracellular delivery of macromolecules”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Nature Protocols (DOI: 10.1038/s41596-024-01115-7)。南京林業(yè)大學(xué)青年教師繆東洋為該論文第一作者,熊燃華教授為論文唯一通訊作者,南京林業(yè)大學(xué)為第一完成單位。


1. PEN光穿孔用于胞內(nèi)遞送的詳細(xì)步驟。1)靜電紡絲制備包載光熱納米顆粒的PEN納米纖維基底。(2PEN基底和細(xì)胞共培養(yǎng)。(3PEN光穿孔激光輻射平臺(tái)。(4)利用模型大分子優(yōu)化PEN光穿孔參數(shù)。(5)采用優(yōu)化的PEN光穿孔方案,將功能大分子遞送至各種類型細(xì)胞。(6)體外和體內(nèi)驗(yàn)證PEN光穿孔工程化改造CAR-T細(xì)胞的治療效果。


  根據(jù)此方法,研究人員可以相應(yīng)的準(zhǔn)備PEN基底,并利用PEN光穿孔將功能性大分子遞送到至目標(biāo)細(xì)胞內(nèi)。PEN光穿孔參數(shù)最初通過(guò)熒光模型大分子(如RD10FD10)在貼壁HeLa細(xì)胞和懸浮Jurkat細(xì)胞中進(jìn)行優(yōu)化(2)。共聚焦顯微鏡圖像的定量分析表明,更高的激光能量或光熱NPs濃度確實(shí)能夠增強(qiáng)細(xì)胞膜的通透性,從而更容易讓大分子進(jìn)入細(xì)胞,提高遞送效率,但也會(huì)逐漸降低細(xì)胞活性。平衡遞送效率和細(xì)胞活性對(duì)于大分子胞內(nèi)遞送至關(guān)重要。當(dāng)激光能量為0.08 J cm?2,光熱NPs濃度為1 wt%時(shí),HeLa細(xì)胞的最佳遞送效率約為76%。對(duì)于Jurkat懸浮細(xì)胞,共聚焦z堆疊圖像顯示,細(xì)胞在聚丙烯胺鹽酸鹽(PAH)涂層的PEN上附著更好。當(dāng)激光能量為0.16 J cm?2,光熱NPs濃度為2 wt%(每個(gè)細(xì)胞接觸12個(gè)光熱NPs納米簇)時(shí),獲得了約63%的最佳遞送效率。


2. PEN 光穿孔參數(shù)優(yōu)化用于 HeLa貼壁細(xì)胞和 Jurkat 懸浮細(xì)胞的遞送。a)在有和無(wú)膠原涂層的 PEN 基底上生長(zhǎng)的 Calcein AM 標(biāo)記的 HeLa 細(xì)胞的共聚焦圖像。(bHeLa 細(xì)胞在不同激光能量和光熱NPs 濃度下的 RD10遞送效率和細(xì)胞活性。(c)深紅色熒光 CellMask 標(biāo)記的 Jurkat 細(xì)胞在香豆素6標(biāo)記的 PEN基底上的共聚焦圖像。(dJurkat 細(xì)胞在不同激光能量、光熱NPs 濃度、和重復(fù)激光照射下的FD10遞送效率和細(xì)胞活性。


  成功實(shí)現(xiàn)模型大分子胞內(nèi)遞送后,光熱納米纖維進(jìn)一步被應(yīng)用于生物功能大分子siRNACRISPR/Cas9的胞內(nèi)遞送(3)。首先,使用優(yōu)化的PEN光穿孔參數(shù)(1 wt%光熱NPs濃度,0.08 J cm?2激光能量,膠原蛋白涂層的PEN可將抗綠色熒光蛋白(GFP)的siRNAsiGFP)遞送到穩(wěn)定表達(dá)GFPH1299細(xì)胞中。共聚焦圖像顯示隨著siGFP濃度的增加,在PEN光穿孔成功下調(diào)了eGFP表達(dá)。通過(guò)流式細(xì)胞術(shù)量化的MFI表明,在0.5μM低濃度的siGFP下,重復(fù)進(jìn)行4PEN光穿孔與進(jìn)行15 μM濃度的PEN光穿孔所獲得的下調(diào)效果相同。此外,共聚焦圖像和流式細(xì)胞術(shù)分析表明,H1299細(xì)胞的eGFP表達(dá)可以通過(guò)PEN光穿孔遞送CRISPRCas9 RNPs進(jìn)行有效敲除。通過(guò)提高RNP濃度并重復(fù)進(jìn)行4PEN光穿孔,eGFP敲除效率達(dá)到了80%


3. PEN 光穿孔應(yīng)用于功能大分子siRNACRISPR-Cas9 RNPs的胞內(nèi)遞送研究。a)共聚焦顯微鏡顯示了使用 1 wt% 光熱NPs  0.08 J cm?2 激光能量進(jìn)行 PEN 穿孔處理的對(duì)照組 siGFP胞內(nèi)遞送 H1299 細(xì)胞eGFP 的表達(dá)。(b,c)不同 siGFP 濃度或在低濃度 0.5 μM siGFP下重復(fù) PEN 光孔化處理時(shí),H1299 細(xì)胞eGFP 表達(dá)的 MFI 和 eGFP 敲低效率。(d)共聚焦顯微鏡顯示了光穿孔將CRISPR-Cas9 RNPs遞送到H1299細(xì)胞以敲除GFP表達(dá)。(e,f)不同 RNP 濃度或在低濃度 0.5 μM RNP下重復(fù) PEN 光孔化處理時(shí),H1299 細(xì)胞eGFP 表達(dá)的 MFI 和 eGFP 除效率。


  最后,PEN光穿孔被應(yīng)用于人供體來(lái)源的T細(xì)胞的siRNA胞內(nèi)遞送(4)。優(yōu)化的PEN光穿孔參數(shù)5 wt% 光熱NPs濃度,0.16 J cm?2激光能量,3次激光掃描次數(shù),NaOH水解的PEN)可用于遞送PD-1蛋白表達(dá)的siRNAsiPD1至人類原代T細(xì)胞,從而下調(diào)PD1表達(dá)。當(dāng)siPD1濃度增加到4 μM時(shí),PEN光穿孔T細(xì)胞中的PD1敲除效率達(dá)到80%。SKOV3腫瘤小鼠模型評(píng)估發(fā)現(xiàn),在注射后第21天,PEN光穿孔的CAR T細(xì)胞攜帶siPD1顯著減少了腫瘤大小,并且優(yōu)于單獨(dú)使用未功能化CAR T細(xì)胞的效果?傊,體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)均顯示T細(xì)胞功能的提升,表明PEN光穿孔在治療腫瘤方面具有巨大潛力。


4. PEN光穿孔用于人T細(xì)胞高效安全的生物大分子胞內(nèi)遞送及其腫瘤細(xì)胞殺傷功能。aPEN光穿孔方法遞送小干擾核酸siPD1T細(xì)胞以抑制PD1蛋白表達(dá)。(b使用優(yōu)化的 PEN 光孔化參數(shù)5 wt% 光熱NP濃度,0.16 J cm?2 激光能量和 NaOH 水解的 PENs)時(shí),siPD1 濃度變化對(duì)人類 細(xì)胞中 PD1 敲低效率的影響。c)靜脈注射CAR-T細(xì)胞(陰性對(duì)照)、PEN光穿孔處理的CAR T 細(xì)胞(攜帶 siPD1,實(shí)驗(yàn)組)和與PD1 抗體聯(lián)合使用的 CAR T 細(xì)胞(陽(yáng)性對(duì)照)的腫瘤大小隨時(shí)間變化。


 論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41596-024-01115-7


  實(shí)驗(yàn)室主頁(yè):https://www.x-mol.com/groups/nfu-ugent

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