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, 1281、Adv. Mater. 2021, 33, 2008379、Nat. Commun. 2022, 13, 1996)。
圖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。(2)PEN基底和細(xì)胞共培養(yǎng)。(3)PEN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。
圖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。(b)HeLa 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。(d)Jurkat 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。
圖3. PEN 光穿孔應(yīng)用于功能大分子siRNA或CRISPR-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 和 0.08 J cm?2 激光能量進(jìn)行 PEN 光穿孔處理的對(duì)照組和 siGFP胞內(nèi)遞送的 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 敲除效率。
圖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。(a)PEN光穿孔方法遞送小干擾核酸siPD1到T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 T 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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