【研究进展】2024.05-博士研究生刘冯/苏荣太/蒋欣然《Nanoscale》：微/纳米电穿孔技术在基因治疗中的应用

基因治疗作为一种新型细胞治疗策略，在癌症等重大疾病精准、个性化诊疗中具有广泛应用前景。临床实践中，为了确保基因治疗的有效性，将治疗基因高效、安全地递送到目标细胞内是一个关键挑战。在诸多载体递送技术中，电穿孔技术利用短时、高强度的电脉冲作用于细胞膜，产生瞬时的电场效应，导致细胞膜上形成动态可逆孔隙，使药物更容易进入细胞内，增强药物治疗的效果。

图1 电穿孔原理示意图及电场分布模拟

近日，北京航空航天大学常凌乾、牟玮等在《Nanoscale》上发表了综述文章，署名为“Recent Advanced Micro/Nano-Electroporation for Gene Therapy: Recent Advances and Future Outlook”。

在这篇综述中，作者探讨了微/纳米电穿孔技术在基因治疗领域的最新研究成果。首先介绍了电穿孔技术的发展和分类，并简要解释了穿孔机制（图1）。作者重点讨论了微/纳米电穿孔系统以及目前在体外和体内的应用，概述了基因电转移（GET）的临床研究，揭示了基于电穿孔的基因递送在疾病治疗和医疗保健中的巨大潜力。

随着电穿孔技术不断精进，通过集成微纳米器件，对体外细胞进行高通量、安全可控的递送，不仅大大提高了基因治疗的效率和准确性，还推动了相关技术的创新和发展。作者首先介绍了体外基因递送的电穿孔系统（图2），包括由ITO纳米电极阵列组成的单细胞纳米电穿孔平台，成功将质粒以高转染效率传递到不同类型的细胞中（图2a）；高清晰度的微电极阵列芯片，实现了对原代成纤维细胞精确和高效的转染（图2b）；基于导电纳米管的非病毒、低压、可重复使用的纳米注射平台，用于对GPE-86小鼠成纤维细胞的传递和基因沉默（图2c）；新型活细胞阵列研究平台，通过纳米电递送技术将原位信号放大的荧光探针高效地递送至活细胞内，可在单细胞水平检测细胞内基因突变（图2d）；微孔阵列式活细胞递送分析平台，可以进行局部电穿孔，成功将质粒和siRNA高效传递到活细胞中（图2e）。

图2 用于体外基因治疗的微/纳米电穿孔系统。

   接下来，作者介绍了用于体内基因治疗的微/纳米电穿孔系统（图3），如包含纳米复合水凝胶的药物传递系统，研究人员采用了多尺度的方法，通过电测量、数值建模和荧光显微镜验证了小鼠皮肤模型上的给药系统（图3a）；滚动式微针电极阵列，在滚动的同时施加同步电场，可在不规则的活体组织表面进行大面积的活体组织电穿孔，实现了核酸药物分子的透皮递送（图3b 3c）；基于纳米电穿孔技术的新型芯片，能够在细胞膜中产生临时通道，将重编程因子直接导入表皮皮肤细胞，从而启动皮肤细胞的重编程，将其转变成体内所需的任何一种其他类型的细胞（图3d）；由可生物降解的柔性材料制成的自供电电子绷带，能够提供双模式电刺激，促进愈合因子的表达和分泌，协同加速和改善肠道伤口愈合，并显著减少了术后并发症（图3e）。

图3 用于体内基因治疗的微/纳米电穿孔系统

   最后，作者介绍了微/纳米电穿孔技术在临床基因治疗中的应用（图4）。近年来，电穿孔技术在临床医学研究方面取得了显著进展，显示出巨大的潜力。作为电穿孔疗法的一个主要分支，GET利用高强度、短时间的电脉冲来增加细胞膜的通透性，从而增强临床环境中化疗药物、基因或疫苗的摄取，已经成为一项相对成熟的技术。目前临床实践中经FDA批准的GET设备包括CELLECTRA（图4a）、TriGrid（图4b）和MedPulser（图4c）。其中，CELLECTRA和TriGrid分别用于皮下和肌肉注射DNA疫苗，因此配备了便捷的手持式注射器和较短的注射器电极（图4d）。MedPulser系统配备了较长的注射器电极，用于肿瘤的高效递送（图4e）。这些设备的共同之处在于它们配备了阵列电极，电极之间保持着大约0.5 cm的间距，以生成具有适当强度的外加电场，从而确保治疗过程的安全性。相较于传统的注射方法，GET不仅显著提升了转染细胞的数量和基因表达的强度，更实现了高效的共转染，使得基因表达水平提高100-1000倍。此外，GET在各种疾病的疫苗开发中起着至关重要的作用（图4f）。这些显著的优势让GET成为基因治疗领域中极具前景的新型基因传递工具。

图4 GET设备及其在临床实践中的应用

论文第一通讯单位为北航生物与医学工程学院和医学科学与工程学院。常凌乾教授、牟玮教授为论文通讯作者。第一作者为刘冯（博士生）、苏荣泰（博士生）、蒋欣然（博士生）、王思奇（临床博士）。

论文引用：

F. Liu, et al. Nanoscale, 2024, DOI: 10.1039/D4NR01408A

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D4NR01408A