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“为细胞做手术” ——应用MEMS技术突破靶向细胞药物导入世界难题
发布时间:2017-03-27        

  
  近日,天津大学精仪学院微技术团队在细胞靶向药物导入方向取得了重要突破,在国际上首次提出了“应用微机电系统(MEMS)薄膜谐振器激发‘特高超声波(千兆赫兹)’进行靶向细胞药物导入”的新技术,“为细胞做手术”,实现了多种分子对细胞的精准导入,为传统的靶向药物导入技术提供了一种全新的方法,拓展了微机电系统技术在生命科学中的应用。相关研究成果于近日在线发表在微纳技术领域国际权威学术刊物《Small》上。
  将目标药物分子、治疗基因和蛋白等外源分子精准高效地导入细胞内部是现代精准医疗和细胞分子生物学研究中的重要技术。传统的细胞导入依赖化学药物或者电学刺激,比如我们熟知的“化疗”,这样不仅无法进行选择性药物导入,使用中还会引起“细胞免疫应答”,破坏健康细胞,产生较大的副作用。而微纳器件具备体积小、功耗低等优点,可植入体内实现选择性细胞药物导入,使用微纳技术实现单细胞药物导入已成为现代分子生物学研究的热点。
  微机电系统(MEMS)是指尺寸在0.5-500微米的可动元件构成的微机电系统。天津大学微技术团队在国家千人专家庞慰教授的带领和国家青年千人专家段学欣教授、王艳艳副教授等团队成员的共同努力下,开展了大量微机电谐振器、传感器与执行器研究并向生命科学等领域延伸,取得了一批具备自主知识产权的高水平科研成果。
  “应用微机电系统(MEMS)薄膜谐振器激发‘特高超声波(千兆赫兹)’进行靶向细胞药物导入”技术是研究团队通过谐振器激励产生“特高超声波”,利用“特高超声波”的振动高效稳定地在细胞膜上形成小孔,诱导外源物质,如靶向药物或基因分子进入细胞。特高超声波对细胞膜的振动压力约是一般超声波的60倍,能够更加均匀的使细胞膜受力,从而实现外源物质可控、精准地导入细胞及细胞核,且本身对细胞无毒副作用。
  研究团队利用数学和物理模型对高频体声波在液体中对细胞的作用进行了理论仿真,揭示了其致细胞膜结构改变的物理机理,并在实验室中,针对不同浓度、不同尺寸,不同类别的外源物质开展了细胞导入实验,证实该系统高效率、功耗低、多样化,导入位置可控,并可实现多靶点、定向化、单细胞的药物导入,具有传统药物导入技术不可比拟的优点,将对医学体内药物治疗和细胞分子生物学等方向的研究产生重要的影响。
  文章在线发表后,研究团队立即收到学界大量反馈信息和评议:美国一位医学院教授认为,“特高超声技术可控性高,使用方便。通过调控振动参数和振动源与细胞之间的距离,可以有效调整在细胞膜打孔的程度。该技术适用面广,经检测可以有效的促进小分子化学药品,单链DNA,双联DNA以及闭合环状质粒的进入细胞,且转染效果极高。此外这项技术也可应用于96孔板,易于多个实验组同时进行处理。”加拿大一位生物化学教授认为这项工作“在国际上首次提出了应用MEMS薄膜谐振器激发GHz体声波在细胞膜上穿孔并进而实现进行细胞的药物导入的新技术,为细胞的药物导入和基因转染提供了一种全新的方法,开拓了MEMS技术在生命科学体系中的又一创新应用。”
   
  记者:靳莹
  设计:张杰宇
 
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