導讀:一個來自日本豐橋技術科學大學的研究團隊發展了一個納秒脈沖的激光輔助光穿孔技術,使用的是二氧化鈦納米管來實現了高效率和低成本的細胞內傳遞.這一最新研究成本發表在2021年出版的期刊《 Applied Surface Science》上.
圖１ 該成果的藝術構圖
圖解: (a) 二氧化鈦納米管頂部的胞狀結構和 (b)使用一排納米管和脈沖激光之間的相互作用來實現大規模平行光穿孔
提高輸送外部分子進入活體細胞的同時且具有高的細胞活性和傳輸能力的潛力在用于診斷,藥物輸送和細胞生物學等方面和治療發展基于細胞治療和再生醫學等方面具有非常重要的意義.在過去的許多年里,藥物輸送系統的發展促進了藥物劑量的更加精準的控制和減少了副作用的危害.這些技術可以分為病毒、物理或化學方法三大類.
在這些辦法中,光致孔作用自問世以來已經迅速的在細胞內傳遞領域成為非常流行的一種技術,這主要得益于該技術的侵襲性比較低.在這一辦法中,金納米粒子,吸收脈沖光,分散 在溶液中來打孔細胞,然而,這一材料卻比較昂貴.比較理想的是使用相對比較廉價的納米材料且同時可以保證高的輸送效率和細胞活性.
研究團隊設計和制造了一個低成本的納米管排列用于基于光穿孔的細胞內傳遞.二氧化鈦納米管在鈦合金板材上在不同的電壓和時間下使用電化學陽極氧化技術來形成.采用XPS(X射線電子能譜,X-ray photoelectron spectroscopy (XPS))揭示了不同TiO2種類的存在,諸如TiO2 和 TixOy (TiO/Ti2O3/Ti3O5).二氧化鈦納米管在不同的陽極氧化電壓和時間下具有不同的濃度,如氧化物的種類沿著Ti金屬具有少量的質量.由于形成氧缺陷,納米管具有準金屬和金屬的特性.這些納米管的特性也許會在納秒脈沖激光輻照后通過不同的機理促進細胞間的輸送.
圖２ 在二氧化鈦納米管上進行光致孔作用進行貨物交付的可能的機理的示意圖
HeLa-人宮頸癌細胞在納米二氧化鈦納米管和生物分子溶液中培養.在納米管中暴露在532nm的納米脈沖激光下,研究人員成功的輸送了碘化丙啶（PI）和葡聚糖到HeLa上,在這一人宮頸癌細胞上具有高效的輸送效果和高的細胞活性.
細胞膜穿孔的可能的機理包括:熱介導納米氣泡,光化學誘導活性氧,自納米管到細胞膜的熱傳遞,在這一納米管局部表面等離子體共振強電磁場等.這就導致在每一個細胞膜-納米管的界面上空化納米氣泡的形成,將會快速的生長,合并和坍塌,從而導致爆炸,導致細胞膜的穿孔,這促進生物分子自細胞外部到細胞內部進行輸送.這一在二氧化鈦納米管為基礎的輔助光穿孔的細胞間的輸送的精準的機理仍然不清楚.細胞間的輸送也許是幾個不同機理的混合效應,豐橋技術科學大學的L. Mohan說到.
圖３ 氧化鈦納米管在15 V@2 h的條件下形成的3D圖 (a-c) 和 2D (d-f) 圖
Moeto Nagai, 是豐橋技術科學大學的關于這一項目的領導者,相信二氧化鈦納米管可以是形式多樣的和低成本的平臺用于使用脈沖激光來實現細胞間的輸送.這一裝置多變的突出的特征具有平行和控制均勻的輸送的特點,且具有高效率和細胞活性的優點,同時應用在細胞質量和再生醫生上非常有潛力.
圖4 一個以AuNS層為介導的等離子體光穿孔平臺在激光輻照的前提下用于生物分子的輸送輸送至粘附細胞
圖解:這一成果是2018年俄羅斯科學院所發展的一個新辦法,基于星狀的金納米粒子的合成,該合成是通過激光輻照來實現的.具有寬廣的可定制的條件為制造舒適的環境來提供不同的物質來輸送至不同類型的細胞中提供了一個新的技術.該成果是是價格比較昂貴的金為載體的,這是該成果的一大缺點.
文章來源:L. Mohan et al, Can titanium oxide nanotubes facilitate intracellular delivery by laser-assisted photoporation? Applied Surface Science，Volume 543, 30 March 2021, 148815，DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.148815，
參考文獻:A novel cell transfection platform based on laser optoporation mediated by Au nanostar layers,Timofey Pylaev Ekaterina Vanzha Elena Avdeeva Boris Khlebtsov Nikolai Khlebtsov,Journal of Biophotonics,11 September 2018 https://doi.org/10.1002/jbio.201800166
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