1、.悄無(wú)聲息的基因治療手段：可生物降解的納米微針經(jīng)過(guò)刻蝕后的一小塊硅片能做什么？大部分人的答案可能都和微電子產(chǎn)品或者光伏材料脫不開(kāi)關(guān)系。絕大多數(shù)人可能都不會(huì)想過(guò)，一塊比指甲蓋還小的硅片，經(jīng)過(guò)刻蝕后可以做成“注射器”！這種納米微針注射器相對(duì)于傳統(tǒng)注射手段而言，不僅無(wú)痛無(wú)創(chuàng)，而且可以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)高效地定向給藥。近年來(lái)材料學(xué)與生物學(xué)領(lǐng)域的許多科學(xué)家的都投身到對(duì)這種最新的治療手段的研究中。目前納米微針注射已經(jīng)被用于將化療藥物直接遞送至癌細(xì)胞內(nèi)，或?qū)⑹孪冉?jīng)過(guò)修飾的DNA分子運(yùn)至特定的組織內(nèi)實(shí)現(xiàn)基因治療。但如何向特定組織中可控地傳輸遺傳物質(zhì)目前還是一大難題，之前的研究成果普遍傳輸效率較低，穩(wěn)定性差，且一種傳輸

2、手段不能適用于各種不同部位的組織和細(xì)胞，安全性和細(xì)胞毒性存疑。目前在體外實(shí)驗(yàn)中取得了一定的突破，但是在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，由于環(huán)境復(fù)雜，傳輸效果仍然不理想。2015年5月Nature Materials報(bào)道了帝國(guó)理工學(xué)院M. M. Stevens和E. Tasciotti課題組聯(lián)合研究的成果：他們成功通過(guò)化學(xué)刻蝕方法制備了一種多孔的，可生物降解的納米微針，可以在胞質(zhì)溶膠中高效協(xié)同傳輸DNA和siRNA，傳輸效率超過(guò)90%。在選取VEGF-165為被傳輸物質(zhì)的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，有效促進(jìn)了小鼠局部組織區(qū)域內(nèi)血管生成，將特定區(qū)域肌肉組織的血流量提升了6倍。眾所周知，基因療法是通過(guò)向特定組織或細(xì)胞內(nèi)傳輸遺傳物質(zhì)，調(diào)

3、節(jié)特定基因的表達(dá)情況來(lái)達(dá)到對(duì)特定組織治療的目的，甚至可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)特定區(qū)域的生理結(jié)構(gòu)、功能，進(jìn)行對(duì)局部組織的基因工程改造。但遺傳物質(zhì)必須傳輸?shù)桨|(zhì)溶膠或細(xì)胞核區(qū)域才能起作用，而核酸本身帶較多電荷，很難在血漿中穩(wěn)定傳輸。之前的科學(xué)家在這方面花費(fèi)了很多努力，但普遍存在被傳輸物質(zhì)穩(wěn)定性差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)胞內(nèi)傳輸?shù)热毕荨＜{米微針可以在對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和代謝影響最小的條件下，對(duì)特定區(qū)域的細(xì)胞內(nèi)有效傳輸生物活性物質(zhì)，非常具有研究?jī)r(jià)值。納米微針，即多孔型硅納米針陣列，通過(guò)化學(xué)刻蝕法制備。微針形狀規(guī)整，機(jī)械性能穩(wěn)定，有一定的透膜傳輸性能，細(xì)胞毒性低。通過(guò)電鏡觀察可見(jiàn)：微針尖端直徑可調(diào)節(jié)至50 nm以下，遠(yuǎn)低于普遍認(rèn)為的納米

4、注射器的安全直徑。對(duì)于5微米長(zhǎng)，尖端直徑50納米，底部直徑600納米的微針而言，其表面積比利用傳統(tǒng)方法制備的納米線大300倍。微針的孔隙率，負(fù)載容積和機(jī)械性能都可以方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)。力學(xué)性能測(cè)試表明，這種圓錐樣結(jié)構(gòu)的微針堅(jiān)固耐用，可以承受穿透細(xì)胞膜所必須的力。這種結(jié)構(gòu)在模擬體內(nèi)環(huán)境中會(huì)逐漸降解（圖1）：首先變薄，之后變得更加多孔，15小時(shí)即失去原來(lái)的形狀，72小時(shí)后僅能檢測(cè)到一些固體殘留。圖1. 納米微針在細(xì)胞培養(yǎng)基37環(huán)境下形貌隨時(shí)間變化情況通過(guò)兩種方式的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)（nN-B：在納米微針表面培養(yǎng)細(xì)胞；nN-T：將納米微針壓到細(xì)胞表面）測(cè)試納米微針對(duì)于細(xì)胞活動(dòng)的影響。兩種情況下培養(yǎng)5天細(xì)胞都保持正

5、常的生理活動(dòng)，有正常的細(xì)胞增殖，未觀察到顯著的細(xì)胞毒性。乳酸脫氫酶LDH分析顯示培養(yǎng)基中酶的濃度沒(méi)有改變，說(shuō)明納米注射器不會(huì)引起胞內(nèi)物質(zhì)泄漏。通過(guò)向Hela細(xì)胞中運(yùn)送Cy3-labelled siRNA和GFP-expressing DNA質(zhì)粒測(cè)試納米微針對(duì)于核酸類物質(zhì)的運(yùn)載效率，結(jié)果證明納米微針可以同時(shí)負(fù)載和釋放這兩種物質(zhì)至同一區(qū)域細(xì)胞內(nèi)，且傳輸效率可達(dá)90%以上。通過(guò)針對(duì)小鼠皮膚和組織進(jìn)行熒光染色對(duì)比納米微針和微米微針的傳輸效果。通過(guò)測(cè)算染色斑點(diǎn)面積可知，染料通過(guò)納米微針傳輸效率80%，熒光可持續(xù)48小時(shí)，水洗不掉。使用納米微針傳輸形成的斑點(diǎn)相對(duì)于微米注射器更規(guī)整，說(shuō)明納米微針傳輸手段更精

6、準(zhǔn)使用未負(fù)載任何傳輸物質(zhì)的的空納米微針評(píng)估其體內(nèi)安全性。對(duì)小鼠皮膚、肌肉和耳組織納米微針處理后5小時(shí)和24小時(shí)組織切片觀察，組織結(jié)構(gòu)正常，未見(jiàn)急性炎癥反應(yīng)。皮膚組織部分：表皮、真皮、皮脂腺、毛囊結(jié)構(gòu)清晰完整，無(wú)炎癥反應(yīng)。表皮、真皮和毛細(xì)血管結(jié)構(gòu)未見(jiàn)破壞，角質(zhì)層結(jié)構(gòu)正常，上皮細(xì)胞輕微增生，但角質(zhì)增厚情況基本可以忽略。肌肉組織納米微針處理后5小時(shí)，5天，15天后觀察，肌肉組織的橫截面和縱截面兩個(gè)取向肌纖維細(xì)胞的大小和形狀都沒(méi)有發(fā)生明顯改變，肌肉組織結(jié)構(gòu)也未見(jiàn)明顯變化，說(shuō)明這種納米微針的生物安全性良好。圖2. 對(duì)照組、直接注射pVEGF165和納米微針注射pVEGF165處理后小鼠肌肉組織的明場(chǎng)與共

7、聚焦顯微鏡照片通過(guò)直接注射和納米微針注射兩種方式向小鼠肌肉內(nèi)注入100 µg pVEGF165，對(duì)比兩種處理方式的效果。VEGF是促進(jìn)血管生成的關(guān)鍵基因，對(duì)新血管的生成起著重要作用。實(shí)時(shí)PCR顯示，兩種注射方式處理后的小鼠VEGF165表達(dá)情況都有增加，且納米微針處理的小鼠VEGF165表達(dá)情況更高。但只有經(jīng)納米微針處理的小鼠在被處理區(qū)域的血流量明顯增加，且觀察到了相互連通的血管網(wǎng)絡(luò)，持續(xù)觀察結(jié)果表明，納米微針處理14天后，該組織區(qū)域的血流量和血管結(jié)點(diǎn)數(shù)目提高了6倍（圖2）。以上的實(shí)驗(yàn)和結(jié)果都表明納米微針是一種安全高效的傳輸手段。通過(guò)這種手段可以在對(duì)細(xì)胞和組織影響最低的情況下，突破各種生物屏障，將各類遺傳物質(zhì)同時(shí)直接傳輸至胞質(zhì)溶膠和細(xì)胞核區(qū)域。納米微針尺寸遠(yuǎn)小于之前報(bào)道的各類微米微針，針頭尺寸的降低，將原來(lái)在三維尺度的傳輸變?yōu)槎S尺度的傳輸，可以突破幾層細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定組織，特定區(qū)域的傳輸。相對(duì)于傳統(tǒng)的微米微針而言，納米微針傳輸不僅更精準(zhǔn)，而且降低了微針尺寸過(guò)大引起的炎癥反應(yīng)，局部組織損傷和細(xì)胞壞死。這種納米微針是通過(guò)化學(xué)刻