用一張芯片把你的皮膚組織瞬間變成血管或神經(jīng)細(xì)胞，這聽起來實在是太過科幻。然而印第安納大學(xué)和俄亥俄大學(xué)的研究人員不但將其成了現(xiàn)實，還將芯片的制作技術(shù)全部開源。也就是說如果你掌握所需的醫(yī)學(xué)知識，在五到六天之內(nèi)就能按照說明書制造出一款自己中意的 VIP 組織轉(zhuǎn)換芯片！

在這篇刊登于Nature Protocols，名為 Fabrication and use of silicon hollow-needle arrays to achieve tissue nanotransfection in mouse tissue in vivo 的論文中，印第安納大學(xué)的科學(xué)家們詳細(xì)闡述了這種非侵入式且對人體無害的黑科技 。利用電穿孔技術(shù)，你可以在毫秒內(nèi)將質(zhì)粒 DNA 直接導(dǎo)入到小鼠（或自己）皮膚的特定深度，將皮膚轉(zhuǎn)染為血管或神經(jīng)細(xì)胞。

nanotransfection 示意圖 | 來源：印第安納大學(xué)

作者稱，這種“組織納米轉(zhuǎn)染技術(shù)”（tissue nanotransfection, TNT）所需要的設(shè)備是可以標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)的?！敖M織納米轉(zhuǎn)染技術(shù)”的最大優(yōu)點是不需要用病毒作為載體，從而最大限度地降低了炎癥反應(yīng)和細(xì)胞死亡的風(fēng)險。

發(fā)明這項技術(shù)的印第安納再生醫(yī)學(xué)和工程中心（Indiana Center For Regenerative Medicine And Engineering）主任 Chanda Sen 表示：“這篇論文將讓更多人一同參與到再生醫(yī)學(xué)中來?！?

制備空心微針陣列

根據(jù)“納米轉(zhuǎn)染”說明書，改變組織功能共分為三個步驟（共 25 個具體操作環(huán)節(jié)）：制備空心微針陣列、制備 TNT 器件，以及對細(xì)胞進行轉(zhuǎn)染。首先要考慮的是使用哪種微針陣列，各種不同形態(tài)的微針總有一款適合您。對于在局部皮膚導(dǎo)入質(zhì)粒 DNA，作者建議使用尖端扁平的微針（見圖 1A）。對于深層組織的導(dǎo)入，作者建議使用尖端鋒利的微針以促進組織穿透( 見圖 1B 或 1C)。

各種微針 | 來源：論文

選好款式以后我們就要進行手工制作了。

首先需要在雙面拋光的 4 英寸硅（Si100）晶片上覆蓋一層光刻膠，然后使用博世（Bosch）工藝對晶片進行深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）。根據(jù)轉(zhuǎn)染需要可以制備三種不同的硅空心微針，包括頂端扁平的一型（圖 1E，Type I），頂端突出的二型（Type II）或帶有偏心孔的三型（Type III）（圖 1F，g)。后兩種尖端鋒利的微針陣列更有助于穿透到組織當(dāng)中。如果將針頭的納米通道直徑縮小，那么針頭輸出生物分子的速度也將相應(yīng)增加；但是相應(yīng)來說，這也可能限制通過針頭的分子總量。在納米通道直徑過?。?lt;5 μm）的微針中通?？梢杂^察到分子堵塞現(xiàn)象。這個問題可以通過優(yōu)化孔徑和使用偏心孔結(jié)構(gòu)（Type III）來解決。通過使用等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）形成氧化物涂層，可以將納米通道直徑調(diào)整到目標(biāo)值。此外，研究人員在在每個硅芯片上都連接了一個 Transwell，作為質(zhì)粒 DNA 的儲存庫。 論文強調(diào)，要想做出高質(zhì)量的微針陣列，必須特別注意兩個方面。第一個是在翻轉(zhuǎn)芯片以制造微針的納米通道時需要精確對準(zhǔn)（步驟 1A（Xix）），第二個是在制作的過程中要溫柔，以避免針孔中出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象（步驟 1A（xxii，xxvii 和 xxiv））。

TNT 器件的制備

在芯片制作好之后，需要將其和電穿孔設(shè)備進行整合以實現(xiàn)質(zhì)粒 DNA 的導(dǎo)入。首先 TNT 芯片上安裝有一個儲液器，用來儲存有質(zhì)粒 DNA 的溶液。為了實現(xiàn)納米電穿孔，還需要一種精確控制的電脈沖發(fā)生器。研究人員用 PDMS 和固化劑混合，形成可嵌入芯片的 PDMS 薄膜。之后，芯片的正面、底面和 PDMS 膜的底面都用等粒子清洗機處理過，然后輕輕地壓在一起，在各層之間形成完整的粘合。PDMS 膜的厚度應(yīng)調(diào)整為 2-4 毫米。 論文表示，大于 4 毫米的 PDMS 膜不夠靈活，不足以在芯片之間提供完全的防泄漏連接，而且還可能在連接過程中損壞芯片。而小于 2 毫米的 PDMS 膜又太柔軟，因此在芯片和薄膜之間會產(chǎn)生褶皺和氣隙。

小鼠實驗 | 來源：論文

使用 TNT 器件進行體內(nèi)轉(zhuǎn)染

當(dāng)利用電穿孔技術(shù)將 DNA 導(dǎo)入到體內(nèi)時，所施加的電壓決定了 DNA 分子上的遷移力有多大，從而決定了在恒定脈沖下導(dǎo)入的距離有多遠(yuǎn)。同時，電壓還決定了電穿孔過程中細(xì)胞膜上的孔密度和平均孔徑。中等電壓（100-150 V/mm）可以平衡導(dǎo)入距離和孔隙參數(shù)。過高的電壓會破壞細(xì)胞和組織結(jié)構(gòu)。在實驗中，研究人員使用了 8 到 12 周大的雄性小鼠。不過這并不代表活體小鼠實驗局限于任何性別或年齡，任何小鼠都可以參與 。 為了便于 TNT 芯片能接觸到皮膚更深層的細(xì)胞組織，實驗中的小鼠都被脫毛。之后電脈沖通過裝有質(zhì)粒溶液的儲液器和微針達(dá)到皮膚。該電脈沖為方波，參數(shù)可調(diào)。以 200 V 電壓開始，穿孔脈沖電壓可以不斷增加以促進細(xì)胞膜孔隙的形成，之后再以 200 V 的驅(qū)動脈沖將質(zhì)粒導(dǎo)入組織。較高的電壓（>250 V）會增加驅(qū)動力，并在細(xì)胞膜上產(chǎn)生更大的孔隙，這有助于質(zhì)粒的傳遞。但如果電壓太大的話就會對細(xì)胞產(chǎn)生毒性。 作者表示，這款帶有硅空心微針陣列的 TNT 芯片的最終目標(biāo)是對組織進行重新編程。在這款芯片的幫助下，實驗小鼠避免了后肢的組織壞死，甚至移植到大腦的神經(jīng)細(xì)胞還改善了中風(fēng)小鼠的神經(jīng)功能。目前，科學(xué)家們還沒有在人類身上進行大規(guī)模的臨床試驗。但在制備納米芯片的方法開源以后，想必會引來大批生物駭客的興趣。

屆時又會有怎樣神奇的發(fā)現(xiàn)，我們拭目以待。

參考文獻：https://www.nature.com/articles/s41596-021-00631-0

本文來自微信公眾號 “學(xué)術(shù)頭條”（ID：SciTouTiao），作者：學(xué)術(shù)頭條，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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