一種納米電穿孔-DNA張力傳感生物芯片

體外藥物評估在新藥開發(fā)領(lǐng)域具有加速藥物篩選、提高藥物安全性的作用，對個體化醫(yī)療具有重要意義。但傳統(tǒng)藥物評估過程中，藥物遞送方法依賴于細(xì)胞和藥物的共同培養(yǎng)，藥物分子通過被動擴(kuò)散的方式被細(xì)胞內(nèi)化（>數(shù)小時）和細(xì)胞活力測量（>1天）的限制，這構(gòu)成了臨床藥物篩選和開發(fā)的障礙。因此，快速、準(zhǔn)確地藥物評估的新技術(shù)仍具有廣泛的需求。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，北京航空航天大學(xué)常凌乾課題組在《Small Methods》（IF: 12.4）期刊上發(fā)表了“A Nano-electroporation-DNA tensioner platform enhances intracellular delivery and mechanical analysis towards rapid drug assessment”的研究文章。

在這項(xiàng)工作中報(bào)告了一種納米電穿孔-DNA張力傳感生物芯片，由納米電穿孔遞送模塊和DNA張力傳感檢測模塊組成。兩模塊之間通過拼圖式的結(jié)構(gòu)組裝，增強(qiáng)了器件的靈活性，允許模塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)和替換，提供個性化定制的可能，以及支持系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級（圖1）。

圖1 納米電穿孔-DNA張力傳感生物芯片的原理示意圖

為驗(yàn)證納米電穿孔介導(dǎo)的藥物輸送的速度、效率和安全性，首先建立了一個細(xì)胞物理模型，分析了納米通道上細(xì)胞周圍的電場和電勢分布（圖2a-c）。結(jié)果顯示，當(dāng)施加的系統(tǒng)電壓在10V～40V范圍內(nèi)時，會產(chǎn)生＞1V的跨膜電勢（細(xì)胞膜內(nèi)外的電勢差），成功地在細(xì)胞膜上進(jìn)行了電穿孔。與此同時，納米通道具有聚焦電場的功能（圖2b），確保在低電壓下有足夠的電泳力將藥物分子推入細(xì)胞內(nèi)。隨后驗(yàn)證了納米電穿孔遞送模塊較高的安全性（98%）和高效的遞送效率（90%）（圖2d-f），同時將細(xì)胞內(nèi)遞送速度提高了103倍，藥物內(nèi)化時間縮短至～3秒。

圖2 生物芯片用于藥物遞送的高速、高效和安全性驗(yàn)證，以及藥物評估的可行性驗(yàn)證

在納米電穿孔遞送模塊完成藥物遞送后，細(xì)胞被消化后沿著微流道進(jìn)入DNA張力傳感器模塊。該DNA張力傳感器通過修飾的膽固醇自發(fā)地嵌入細(xì)胞膜。在藥物的刺激作用下，一旦細(xì)胞力學(xué)變化超過DNA張力傳感器預(yù)設(shè)的力的閥值，DNA張力傳感器發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，導(dǎo)致熒光信號的產(chǎn)生。通過分析細(xì)胞力學(xué)特性的變化情況進(jìn)而分析細(xì)胞的活性。在此，我們使用DNA張力傳感器模塊評估了在不同濃度（0、20、40、60和80 μg/mL）下紫杉醇藥效。其結(jié)果和CCK-8試驗(yàn)對于細(xì)胞存活率的定量結(jié)果一致，確認(rèn)了這一DNA張力傳感器用于細(xì)胞存活評估的可靠性（圖2g-h）。

最后，以抗腫瘤藥物DOX作為藥物模型，并采用A549細(xì)胞（人類非小細(xì)胞肺癌）作為細(xì)胞模型進(jìn)一步驗(yàn)證了NDT平臺的功能性。結(jié)果顯示，NDT介導(dǎo)的藥物遞送，在1分鐘內(nèi)可觀察到DOX（紅色熒光信號）被成功遞送進(jìn)細(xì)胞內(nèi)（圖3a-b）。而且，在同一藥物濃度的情況下，基于納米電穿孔技術(shù)的NDT平臺能有效地提高了細(xì)胞的藥物內(nèi)化率。同時，DNA張力傳感器模塊能夠以熒光信號的強(qiáng)弱直接、快速（＜30分鐘）地反映藥物刺激下細(xì)胞活性的變化情況（圖3c-e）。而傳統(tǒng)試驗(yàn)需要> 24小時才能進(jìn)行一輪藥物評估。研究結(jié)果證明了該平臺具有高速、高效和安全性，是一種簡單而強(qiáng)大的臨床藥物篩選工具。

圖3 生物芯片功能驗(yàn)證

該研究工作通訊作者為北航常凌乾教授，北航助理教授董再再為共同通訊作者。第一作者是北航博士研究生杭欣欣、北航碩士研究生黃兆存、北航碩士研究生何詩琦。文章第一單位為北航生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院和生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心。

審核編輯：劉清