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1. 器官生物芯片
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      新基因和抗体疗法,如基因编辑(CRISPR2020诺贝尔奖)、免疫疗法(PD-L1, 2018诺贝尔奖)等,为诸多重大疾病带来曙光,使临床对基因、抗体等大分子药物递送的需求逐年增多。但这些大分子采用常规药物递送(循环递送)时,存在明显问题:(1)效率低:由于器官和细胞屏障,向器官/细胞递送时‘效率低、稳定性差’;(2)安全风险:循环递送导致大分子在非靶器官滞留聚集,引起非靶器官毒性、癌变等问题。 为解决上述问题,课题组成员提出了器官原位高效递送生物芯片:(1)设计柔性、全植入纳米电穿孔(NEP)器官芯片,利用纳米通道内分子电泳提高药物递送效率,通过细胞分电压减低安全风险,将在体递送效率由< 1% 提高到 >30%,实现了真皮细胞重编程为血管内皮细胞,促进旁支血管再生和血流,延缓组织坏疽(Nature Nanotechnology, 2017,12,974);(2)肠道损伤修复(Nature Electronics, 2024);(3)进行内器官(如乳腺和肝脏)高效原位基因递送,首次观察到乳腺癌由单细胞突变到肿瘤生成的演变信息(Revision)。
2. 细胞生物芯片
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     快速、精准的癌细胞靶向治疗评估,采用NEP技术将新型荧光探针快速递送到肿瘤细胞内,提高细胞内基因检测的速度和效率;利用生物芯片构建单细胞阵列,提高检测的时空特异性,实现实时、定量分析。在北京大学肿瘤医院开展了71例肺癌病人监测随访:该策略与病人治疗效果的预测吻合度>90%,显著优于组织活检(50%)(PNAS, 2024),且检测时间由常规1天缩减到30分钟。同时开展多维度分析,分析癌细胞外泌体内容物和基因调控的关系(J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 9443);基因突变和细胞耐药性的关系(Nano Letters, 2021, 21, 4878,封面文章);癌细胞内mRNA调控和细胞迁移、耐药性的关系(Nano Letters, 2016, 16, 5326);癌细胞内基因调控和力学、迁移率的关系(Small, 2022, 18, 2016196);癌细胞内蛋白表达差异和细胞迁移率的关系(Biosensors & Bioelectronics, 2022, 210,

3. 分子生物芯片
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     癌症和重大传染病的病灶细胞内外环境中均存在特异性标记物分子、如DNA、mRNA、蛋白质等,为疾病早诊提供多维度信息。但在疾病早期,标记物分子含量极低,且获取困难,给临床诊断技术带来‘精准性、检测速度’等挑战。纳米电穿孔技术已证明该了高效安全地向胞内递送,反其道而行之,反向纳米电穿孔电场,发现细胞膜可以快速穿孔,同时胞内的分子标记物可以被电场快速牵引到胞外,实现活细胞原位、动态取样和检测一体化,达到分子快速检测(< 30分钟)和高灵敏度(< 100拷贝/ ml),在多场景中实现应用,包括:传染性病原体(新冠、流感)实时检测和感染程度分析(Nature Comm., 2023);水环境中病原体快速富集和检测(Science Advances, 2023)肺癌病人EGFR突变ctDNA高效富集和检测(ACS Nano, 2023);汗液重要生化分子(如葡萄糖、乳酸)连续监测(Nano Energy, 2021, 92, 106786);新冠病毒高通量、现场快检(Research, 2021, 2813643); 肺癌单碱基突变快检(Biosensors & Bioelectronics, 2022, 214,114496);结核杆菌快速检测(Biosensors & Bioelectronics, 2022, 195, 113663)。
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