導(dǎo)讀:一個來自日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一個納秒脈沖的激光輔助光穿孔技術(shù),使用的是二氧化鈦納米管來實(shí)現(xiàn)了高效率和低成本的細(xì)胞內(nèi)傳遞.這一最新研究成本發(fā)表在2021年出版的期刊《 Applied Surface Science》上.

圖１　該成果的藝術(shù)構(gòu)圖

圖解: (a) 二氧化鈦納米管頂部的胞狀結(jié)構(gòu)和 (b)使用一排納米管和脈沖激光之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模平行光穿孔

提高輸送外部分子進(jìn)入活體細(xì)胞的同時(shí)且具有高的細(xì)胞活性和傳輸能力的潛力在用于診斷,藥物輸送和細(xì)胞生物學(xué)等方面和治療發(fā)展基于細(xì)胞治療和再生醫(yī)學(xué)等方面具有非常重要的意義.在過去的許多年里,藥物輸送系統(tǒng)的發(fā)展促進(jìn)了藥物劑量的更加精準(zhǔn)的控制和減少了副作用的危害.這些技術(shù)可以分為病毒、物理或化學(xué)方法三大類.

在這些辦法中,光致孔作用自問世以來已經(jīng)迅速的在細(xì)胞內(nèi)傳遞領(lǐng)域成為非常流行的一種技術(shù),這主要得益于該技術(shù)的侵襲性比較低.在這一辦法中,金納米粒子,吸收脈沖光,分散 在溶液中來打孔細(xì)胞,然而,這一材料卻比較昂貴.比較理想的是使用相對比較廉價(jià)的納米材料且同時(shí)可以保證高的輸送效率和細(xì)胞活性.

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制造了一個低成本的納米管排列用于基于光穿孔的細(xì)胞內(nèi)傳遞.二氧化鈦納米管在鈦合金板材上在不同的電壓和時(shí)間下使用電化學(xué)陽極氧化技術(shù)來形成.采用XPS(X射線電子能譜,X-ray photoelectron spectroscopy (XPS))揭示了不同TiO2種類的存在,諸如TiO2 和 TixOy (TiO/Ti2O3/Ti3O5).二氧化鈦納米管在不同的陽極氧化電壓和時(shí)間下具有不同的濃度,如氧化物的種類沿著Ti金屬具有少量的質(zhì)量.由于形成氧缺陷,納米管具有準(zhǔn)金屬和金屬的特性.這些納米管的特性也許會在納秒脈沖激光輻照后通過不同的機(jī)理促進(jìn)細(xì)胞間的輸送.

圖２　在二氧化鈦納米管上進(jìn)行光致孔作用進(jìn)行貨物交付的可能的機(jī)理的示意圖

HeLa-人宮頸癌細(xì)胞在納米二氧化鈦納米管和生物分子溶液中培養(yǎng).在納米管中暴露在532nm的納米脈沖激光下,研究人員成功的輸送了碘化丙啶（PI）和葡聚糖到HeLa上,在這一人宮頸癌細(xì)胞上具有高效的輸送效果和高的細(xì)胞活性.

細(xì)胞膜穿孔的可能的機(jī)理包括:熱介導(dǎo)納米氣泡,光化學(xué)誘導(dǎo)活性氧,自納米管到細(xì)胞膜的熱傳遞,在這一納米管局部表面等離子體共振強(qiáng)電磁場等.這就導(dǎo)致在每一個細(xì)胞膜-納米管的界面上空化納米氣泡的形成,將會快速的生長,合并和坍塌,從而導(dǎo)致爆炸,導(dǎo)致細(xì)胞膜的穿孔,這促進(jìn)生物分子自細(xì)胞外部到細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行輸送.這一在二氧化鈦納米管為基礎(chǔ)的輔助光穿孔的細(xì)胞間的輸送的精準(zhǔn)的機(jī)理仍然不清楚.細(xì)胞間的輸送也許是幾個不同機(jī)理的混合效應(yīng),豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)的L. Mohan說到.

圖３　氧化鈦納米管在15 V@2 h的條件下形成的3D圖 (a-c) 和 2D (d-f) 圖

Moeto Nagai, 是豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)的關(guān)于這一項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者,相信二氧化鈦納米管可以是形式多樣的和低成本的平臺用于使用脈沖激光來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間的輸送.這一裝置多變的突出的特征具有平行和控制均勻的輸送的特點(diǎn),且具有高效率和細(xì)胞活性的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)應(yīng)用在細(xì)胞質(zhì)量和再生醫(yī)生上非常有潛力.

圖4 一個以AuNS層為介導(dǎo)的等離子體光穿孔平臺在激光輻照的前提下用于生物分子的輸送輸送至粘附細(xì)胞

圖解:這一成果是2018年俄羅斯科學(xué)院所發(fā)展的一個新辦法,基于星狀的金納米粒子的合成,該合成是通過激光輻照來實(shí)現(xiàn)的.具有寬廣的可定制的條件為制造舒適的環(huán)境來提供不同的物質(zhì)來輸送至不同類型的細(xì)胞中提供了一個新的技術(shù).該成果是是價(jià)格比較昂貴的金為載體的,這是該成果的一大缺點(diǎn).

文章來源:L. Mohan et al, Can titanium oxide nanotubes facilitate intracellular delivery by laser-assisted photoporation? Applied Surface Science，Volume 543, 30 March 2021, 148815，DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.148815，

參考文獻(xiàn):A novel cell transfection platform based on laser optoporation mediated by Au nanostar layers,Timofey Pylaev Ekaterina Vanzha Elena Avdeeva Boris Khlebtsov Nikolai Khlebtsov,Journal of Biophotonics,11 September 2018 https://doi.org/10.1002/jbio.201800166