一種新的基于電穿孔的皮膚高效核酸遞送方法

近日，在國(guó)家自然科學(xué)基金（81402863）和北理工創(chuàng)新人才科技資助專項(xiàng)（國(guó)家優(yōu)青培育項(xiàng)目）的支持下，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院、生命學(xué)院黃淵余課題組與北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院微納電子研究院、醫(yī)信交叉研究中心李志宏課題組合作，在柔性電穿孔芯片介導(dǎo)核酸藥物體內(nèi)遞送方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表于生物醫(yī)學(xué)1區(qū)雜志《治療診斷學(xué)》（Theranostics，影響因子8.766），并被選為當(dāng)期的封面文章。黃淵余與李志宏為共同通訊作者，黃淵余為首要通訊作者（Lead Contact）。

圖1 研究工作被選為封面文章推介及工作示意圖

基于小干擾RNA（siRNA）、DNA核酸的基因治療是繼小分子化合物、單克隆抗體后的下一代生物醫(yī)藥發(fā)展的重點(diǎn)方向。RNA干擾從機(jī)制上幾乎可沉默任意感興趣基因的表達(dá)，從其發(fā)現(xiàn)到被授予諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)僅歷時(shí)8年；基于DNA的基因治療則可通過外源導(dǎo)入目的基因糾正基因表達(dá)缺陷或異常，或表達(dá)抗原制成疫苗。但是，該類核酸物質(zhì)的應(yīng)用與藥物開發(fā)面臨如何實(shí)現(xiàn)安全高效的體內(nèi)輸運(yùn)的關(guān)鍵科學(xué)問題。皮內(nèi)或皮下給藥是臨床常見的施藥方式，由于皮膚的可及性和臨床與組織學(xué)上的安全性，以及易于監(jiān)測(cè)與評(píng)估，對(duì)上述核酸物質(zhì)（藥物或疫苗）進(jìn)行透皮給藥是一種重要的、頗具臨床應(yīng)用前景的給藥方式。但是，由于皮膚結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且具有良好的保護(hù)性，核酸分子如何有效穿透角質(zhì)層進(jìn)入皮膚細(xì)胞仍是各類核酸物質(zhì)（生物分子）應(yīng)用的主要障礙。

黃淵余課題組與李志宏課題組共同提出了一種新的基于電穿孔的皮膚高效核酸遞送方法，該方法結(jié)合醫(yī)療美容領(lǐng)域的微針滾輪與柔性插指電極芯片（flexible interdigitated electroporation array, FIEA），實(shí)現(xiàn)了核酸分子在皮膚組織的高效輸運(yùn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)基因表達(dá)的精準(zhǔn)操控。研究者首先利用微針滾輪在小鼠皮膚組織建立微孔道，促進(jìn)電穿孔緩沖液或核酸溶液滲透到組織中，在皮下形成縱向的液體微電極，接著使用柔性電穿孔芯片覆蓋目標(biāo)區(qū)域的皮膚組織，應(yīng)用低電壓（50V或70V）的脈沖刺激，即可通過柔性電極和液體微電極在皮下產(chǎn)生較均勻的脈沖電場(chǎng)，促使核酸分子穿過角質(zhì)層、進(jìn)入皮膚細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)或沉默。利用該策略，研究者成功地在正常小鼠皮膚上實(shí)現(xiàn)了紅色熒光蛋白基因（RFP）的表達(dá)，以及通過電轉(zhuǎn)siRNA有效抑制了皮膚組織中靶基因的表達(dá)。相較于未使用微針滾輪輔助的單獨(dú)柔性電極電穿孔，該聯(lián)合策略在效率上具明顯優(yōu)勢(shì)，并降低了電壓，具有更好的安全性。同時(shí)，該藥物遞送策略有望用于其它生物大分子（如CRISPR/Cas9基因編輯元件、多肽、蛋白等）的透皮遞送，有望用于皮膚局部疾病的治療，或其它部位疾病的疫苗防控等領(lǐng)域。

圖2 微針滾輪結(jié)合柔性插指電極芯片用于核酸分子體內(nèi)輸運(yùn)的技術(shù)路線及結(jié)果，（a）微針滾輪及柔性插指電極實(shí)物圖、電場(chǎng)模擬圖，以及該電穿孔策略的操作步驟；（b）RFP、siRNA電穿孔后小鼠活體成像結(jié)果；（c）RFP、siRNA電穿孔后定量分析結(jié)果；（d）siRNA介導(dǎo)皮膚中靶基因的表達(dá)沉默