摘要:来自美国俄亥俄大学的科学家们刚刚开发出一种纳米生物芯片,只需轻轻触碰伤口几秒钟,就可以快速激活细胞再生,使创伤在短期内治愈。

相信大家科幻电影中经常看到这样的片段:某个神奇的仪器只需轻轻触碰人体,就立刻治愈了严重的伤口。

《Nature》刊登革命性医疗技术:只需轻轻一碰,这个纳米芯片即可让伤口痊愈-ScienceLondon未止科技

还在幻想未来的景象吗?现在,这种不可思议的技术已经变成了现实!来自美国俄亥俄大学的科学家们刚刚开发出一种纳米生物芯片,只需轻轻触碰伤口几秒钟,就可以快速激活细胞再生,使创伤在短期内治愈。目前,他们已经成功治疗了小鼠腿部重伤,并利用这种技术将皮肤细胞转换为脑神经细胞,从而帮助治愈小鼠的中风。不得不说,这是再生医学领域里程碑式的突破!近日,《Nature Nanotechnology》刊登了该研究的论文 ,揭开了它的神秘面纱。下面,未止科技小编就带领大家详细了解一下这项技术吧。

多年以前,中山申弥就发现,细胞重编程(cell reprogramming)技术能够把普通细胞转变为诱导全能干细胞(iPSC)- 这些干细胞可以在培养皿中重新分化成特定的组织细胞,把它们移植回人体就能起到治疗创伤和组织再生的作用。细胞疗法(cellular therapy)由此诞生,成为了一种十分有潜力的再生医学手段。然而,体外进行的细胞重编程常常在诱导和分离环节遇到阻碍,并且原始细胞的来源受到很大限制。因此,近年来,科学家们正在急切地寻找方法,使细胞重编程能够在体内进行 - 这样一来,病人就可以“自产”干细胞了!不仅有充裕的细胞源,还能极大提升治疗效率。

可惜的是,目前的体内重编程技术主要依靠病毒转染来导入编程基因 - 它的靶向随机性无法避免,而且很容易带来细胞死亡、组织感染等副作用。

为了解决这个难题,美国俄亥俄大学的Chandan Sen博士开发出了一种名叫“组织纳米转染(tissue nanotransfection,简称TNT)”的技术:它可以直接将重编程因子DNA通过纳米通道输送到目标细胞内部,从而不借助病毒实现体内重编程!

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从本质上来说,TNT其实是一种基因递送(Gene Delivery)技术。

首先,这个芯片上布满直径500纳米的微管,编程因子的基因会被搭载到芯片的表面

随后,当这个芯片接触到创伤表面的皮肤时,科学家会对芯片和皮肤之间施加250V的电压。在电场的作用下,细胞膜表会进行扩张,自然形成一些微孔。Chandan博士表示,这些微孔会占据细胞膜总面积的2%【2】。这样一来,芯片上的纳米管道就与细胞连接起来了,形成了一个通道。

最终,电场会迫使芯片搭载的DNA向子弹一样射入细胞(类似电泳的原理),从而实现对表皮细胞的重新编程。

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总之,核心就是两个要素:芯片 - 递送基因的工具;搭载的基因- 决定重编程的类型。

听起来好像也没有什么特别之处嘛!Shandan博士表示,千万不要小看它,因为它的效率和准确性是十分惊人的。首先,一块指甲盖大小的芯片,完成基因递送只需要0.1秒 - 真的是“轻轻一碰”!其次,它的递送效率能够达到100% - 而截止今天,没有任何其它技术能够超过98%【2】。

在体外研究中,Shandan博士发现,使用Etv2,Foxc2和Fli1三种编程因子DNA的组合(EFF),可以让皮肤细胞转变成诱导内皮细胞(iEC)- 它们可以重新分化为血管壁细胞。进一步研究表明,EFF递送确实可以促进血管生成。于是,Shandan博士开始考虑活体实验:是不是可以使用TNT递送EFF因子,直接治疗动物的血管创伤?

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Shandan的研究小组立刻找来的小鼠作为实验对象,并人为损伤了小鼠的后肢血管,造成了局部贫血症状(听上去有点残忍。。。)。三天后,一部分幸运的小鼠接受了TNT技术的治疗 - 利用一块2X1厘米的芯片,接触受伤血管上面的皮肤几秒钟,便注入了EFF因子。而另一部分可怜的小鼠则作为对照组,没有接受任何治疗。一周后,注入EFF因子的小鼠,部分表皮细胞开始转变为血管细胞。两周之后,新血管开始生成。第三周,更神奇的事情发生了:这些小鼠的血管焕然一新,完全得到了治愈!

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下图展示了该研究最核心的成果。在TNT治疗后,原本没有血液流动的创伤区域,又恢复了活跃状态。而从生理外观来看,小鼠后肢也完全恢复了正常【3】。而对照组小鼠的创伤却无法自然愈合。

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免疫荧光实验也清楚地展示了血管生成过程中的关键标志物。

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看到这里,大家心里肯定有疑惑:芯片只能接触到少量表皮细胞,而血管却在深处的肌肉中,iEC是如何到达这些区域的?它们又是如何精确定位创伤位置的?

遗憾的是,这背后的原理暂时并不明确,需要进一步验证。不过,Shandan博士也根据研究给出了推测:细胞能够通过胞外囊泡(EV)将转染的cDNA/mRNA扩散到更深处的组织 - 此时,EV能够作为iEC重编程信号传播的媒介。如下图所示:

《Nature》刊登革命性医疗技术:只需轻轻一碰,这个纳米芯片即可让伤口痊愈-ScienceLondon未止科技

简单,高效,低成本,无副作用是TNT技术的最大优势。Shandan的合作者James Lee博士表示:”这是一个非常简单的概念。说实话,它能够有如此好的效果,我们自己都很惊讶!”

不要以为TNT技术仅仅可以治疗血管,Shandan博士表示,它的潜力是无限的,可以治疗各种组织的损伤,甚至可以放置到体内,直接治愈器官创伤 - 理论上,只要设计好重编程因子,就可以治疗一切创伤!

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目前,Shandan的小组已经进行了更大胆的尝试:他们利用TNT技术,在小鼠皮肤表面培养出脑神经细胞,然后收集它们,用来治疗小鼠大脑创伤。令人惊讶的是,当他们把这些细胞注射到中风小鼠的大脑后,竟然让这些小鼠恢复了正常,完全治愈了中风!

下一步,Shandan最希望的就是在一年内将TNT应用到人体临床试验。祝愿他们早日成功,治愈更多病人的伤痛!

参考资料:

【1】DOI: 10.1038/NNANO.2017.134

【2】http://www.npr.org/sections/health-shots/2017/08/08/542057520/a-chip-that-reprograms-cells-helps-healing-at-least-in-mice

【3】http://osuwmc.multimedia-newsroom.com/index.php/2017/08/07/breakthrough-device-heals-wounds-in-lab-tests-with-a-single-touch/