在過去10年間，比利時根特大學的Kevin Braeckmans教授始終專注于利用光熱納米纖維設計安全治療細胞的方法。現在，關于生物相容性光熱納米纖維開發的方法，以及在激光照射下與這些納米纖維接觸的細胞如何變得通透并被各種效應分子轉染，Braeckmans教授所在的研究團隊給出了答案。
研究團隊證明，經過激光脈沖照射后，納米纖維轉染的細胞如胚胎干細胞和人類T細胞健康狀況良好，并保留了原先的治療功能。
細胞療法的新基礎
基于細胞的療法構成了一種更新的治療形式，其中將轉基因細胞注射到患者體內以預防或治療疾病。一個眾所周知的例子是使用癌癥患者自身的免疫細胞，這些細胞可以在實驗室環境中被分離、基因改造和擴增，然后重新注入患者體內以攻擊腫瘤細胞。細胞的遺傳修飾取決于細胞內的遞送技術，這種技術通常很難起到有效率，同時對細胞的健康和功能的影響降至最低。
納米粒子敏化光穿孔在這方面有可觀的開發前景，因為其通常能提供高效率、高通量和低毒性。基于使用光響應納米粒子如金納米粒子，可以在脈沖激光照射下形成爆炸性納米氣泡。這些微小的爆炸可以在細胞膜上產生小孔，讓細胞培養基中補充的外部效應分子進入細胞。但是，由于細胞與不可降解的納米粒子接觸后會產生毒理學和監管的問題，因此阻礙了納米粒子敏化光穿孔向臨床應用的轉化。
因此，研究人員就需要開發一種新方法保留納米顆粒敏化光穿孔的優勢，同時避免納米顆粒和細胞的直接接觸。如上圖所示，Braeckmans教授所在的團隊將光熱氧化鐵納米粒子嵌入到通過靜電紡絲生產的生物相容性聚合物納米纖維中。聚己內酯是一種廣泛用于生物醫學應用的生物相容性聚合物，而光熱氧化鐵納米粒子具有成本效益且具有寬廣的光吸收光譜。
研究表明，在納秒激光脈沖照射下，貼壁細胞和懸浮細胞都可以被一系列大分子安全而有效地轉染。研究人員通過電感耦合等離子體——串聯質譜（inductively coupled plasma—tandem mass spectrometry，ICP-MS/MS）進行元素分析，確認了光熱氧化鐵納米粒子在激光照射后仍安全地嵌入納米纖維中，從而使處理過的細胞避免了與納米顆粒直接接觸。
之后，研究團隊還對從纖維嵌入的光熱氧化鐵納米粒子到附近細胞的熱傳遞進行數值模擬，以更好地了解激光脈沖通量、光熱氧化鐵納米粒子分布和聚集狀態，是如何影響細胞膜通透性的。
■Braeckmans教授
實驗表明，光熱納米纖維的光穿孔可以成功地將功能性生物分子，包括siRNA或 CRISP-Cas9 核糖核蛋白輸送到貼壁細胞和懸浮細胞，包括人類胚胎干細胞和原代人類T細胞。作為基準，研究人員用這種方法與目前先進的電穿孔進行了比對。電穿孔細胞的表型和功能發生了變化，而光穿孔細胞則保留了增殖能力，并且由于嵌合抗原受體T細胞的緣故，可以殺死腫瘤細胞。
總之，它表明使用光熱納米纖維進行光穿孔能夠在多種細胞類型中高效、安全地傳遞多種效應分子，而無需接觸潛在有毒的光熱納米粒子。“我們相信這是朝著使用光穿孔技術安全有效地生產基因修飾細胞療法邁出的重要一步。”Braeckmans教授說。
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