PNAS革新技术：大分子轻松“挤”进细胞

细胞膜围绕着活细胞，严格控制进出细胞的物质。细胞需要这一屏障来控制内部环境，但这也使科学家们无法轻易向细胞导入大分子，例如用于成像的纳米颗粒和用来重编程多能干细胞的蛋白。

 

日前，麻省理工MIT的研究人员开发了将大分子送入细胞膜的新途径，让细胞挤压着通过狭窄的管道使细胞膜打开临时性的小孔。该方法非常安全有效，RNA、蛋白或纳米颗粒等任何漂浮在细胞外的大分子都能轻松进入细胞膜。文章发表在美国国家科学院院刊PNAS杂志上。

 

研究人员用这一技术成功向细胞导入蛋白进行iPS重编程，成功率比现有方法高10至100倍。此外，他们还用该技术运送了碳纳米管和量子点等纳米颗粒，来对细胞内部事件进行成像和监控。

 

“将大分子导入细胞是非常有用的。这个相对简单的系统能够运输多种不同物质，我们认为很有趣，”文章的资深作者材料科学和工程学教授Klavs Jensen说，MIT的Robert Langer教授也是本文资深作者。

 

常用方法此前，科学家们开发了多种方法将大分子导入细胞，但它们都或多或少存在着缺陷。例如，可以将DNA或RNA包装到擅长进入细胞的病毒中，但风险在于有些病毒DNA可能整合到宿主细胞基因组中。因此，这一方法虽然在实验室中很常见，但还未被FDA批准用于人类患者。

 

给大分子添加一个能穿过细胞膜的短蛋白，也能带着大分子一同进入细胞。或者也可以把DNA或蛋白包装在合成纳米颗粒中，导入细胞。不过，根据细胞类型和运输物质的不同，这些系统往往需要进行重新设计，比较麻烦。而且纳米颗粒携带的物质容易被细胞中的内吞体endosome捕获，可能从而产生有毒的副作用。

 

此外，人们广为采用的电穿孔，可能对细胞和所运输的物质造成破坏。

 

微流体系统MIT的新系统可适用于许多细胞类型，研究人员已经用人类和小鼠的11种细胞进行了成功测试，包括胚胎干细胞和免疫细胞。该系统也同样适用于直接取自人类患者的细胞，这种细胞通常比实验室培养的细胞系更难操作。

 

这一新成果的基础建立在Jensen和Langer实验室以前的研究上，那时他们在细胞流经微流体设备时用显微注射将大分子导入细胞。这一过程中，他们发现当细胞挤压着通过狭窄管道时，细胞膜上的小孔打开，允许附近分子扩散进入细胞。

 

于是，研究人员建立了这个微流体芯片，其上有40-70个平行管道。他们将细胞悬浮在含有导入物质的溶液中，使其高速流过管道（约1m/s）。在管道中，细胞要通过比其直径小30-80%的窄道。研究显示，细胞不会受到任何无法恢复的损伤，仍能保持正常功能。

 

应用前景

 

研究团队正在力求将这一系统用于干细胞研究，帮助治疗多种疾病。他们已经成功将人成纤维细胞转化为多能干细胞，计划再用这一系统导入蛋白使干细胞分化为特定组织。

 

该技术还有一项重要应用，就使运送量子点，即由半导体金属组成的发荧光纳米颗粒。量子点能够用于标记单个蛋白或细胞内的其他分子，但如何将其导入细胞膜而不被内吞体endosome捕获令许多人头疼。

 

MIT研究人员曾于十一月发表文章，显示能够将量子点导入体外培养的人类细胞，同时避免颗粒凝聚或被内吞体捕获。现在，他们正在用量子点标记细胞中的特定蛋白。

 

研究人员还提出可以用这一新系统进行疫苗接种。理论上，科学家们可以取患者的免疫细胞，使其通过微流体设备并暴露在病毒蛋白中，然后再将细胞输回给患者。一旦进入体内，细胞可以激活免疫应答，赋予机体对病毒蛋白的免疫力。