多年來，研究人員一直試圖利用基因療法的全部潛力，這種技術(shù)將基因插入患者的細(xì)胞中，以治療癌癥等侵襲性疾病。但是將工程DNA分子放入細(xì)胞并不是一件容易的事。

J. Mark Meacham，圣路易斯華盛頓大學(xué)機(jī)械工程與材料科學(xué)助理教授，領(lǐng)導(dǎo)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種能夠有效插入大分子的方法 - 如DNA ，RNA和蛋白質(zhì) - 進(jìn)入細(xì)胞并將它們推入細(xì)胞核。

通過將稱為聲學(xué)剪切功能(ASP)的技術(shù)與電泳相結(jié)合，該方法使用超聲波和聚焦機(jī)械力在細(xì)胞膜中產(chǎn)生納米級(jí)孔或孔，其足夠大的大分子或納米顆粒進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。

研究人員寫道，到目前為止，ASP已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過75%的大分子輸送效率。在基因治療中最感興趣的DNA插入或轉(zhuǎn)染顯著更具挑戰(zhàn)性。然而，由Meacham及其同事開創(chuàng)的機(jī)械和電力聯(lián)合應(yīng)用使轉(zhuǎn)染與純機(jī)械加工相比大約提高了100%。研究結(jié)果發(fā)表在科學(xué)報(bào)告中。

“我們已經(jīng)使用癌細(xì)胞系和患者來源的原代單核細(xì)胞證明了我們的穿孔技術(shù)，這是一項(xiàng)重要的成就，但最終目標(biāo)是使用新的組合方法成功修復(fù)患者免疫系統(tǒng)中的T細(xì)胞，”Meacham說。 。“我們會(huì)從患者身上提取細(xì)胞，通過我們的設(shè)備運(yùn)行它們并對其進(jìn)行修改，然后將它們重新引入患者體內(nèi)。這是個(gè)性化醫(yī)療和新興基因療法的圣杯。”

Meacham的工作是在美國食品和藥物管理局于8月批準(zhǔn)在美國使用源自患者的免疫細(xì)胞進(jìn)行的第一次基因治療之后。第二種此類療法于10月獲得FDA批準(zhǔn)。新的免疫療法，稱為CAR-T細(xì)胞療法，涉及將一種基因插入患者自身的免疫細(xì)胞中，這有助于這些細(xì)胞進(jìn)入并攻擊癌細(xì)胞。

該療法被批準(zhǔn)用于治療25歲以下患有急性淋巴細(xì)胞白血病(ALL)的兒科患者和患有某些類型的晚期非霍奇金淋巴瘤的成人。華盛頓大學(xué)腫瘤學(xué)家通過圣路易斯兒童醫(yī)院的Siteman兒童醫(yī)院和圣路易斯巴恩斯猶太醫(yī)院和華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Siteman癌癥中心為患者提供治療。

Meacham說，與將基因傳遞到細(xì)胞中以用于這些基因治療相關(guān)的極端困難促使人們追求有效的轉(zhuǎn)染方法。

“利用機(jī)械或電刺激來克服基因轉(zhuǎn)移的細(xì)胞障礙的非化學(xué)，非病毒方法由于許多原因而引人注目，包括安全性，成本和大規(guī)模制造的潛力(或缺乏)。治療細(xì)胞，“他說。“為了使這些方法獲得成功，必須在細(xì)胞膜中產(chǎn)生足夠大的孔，并保持開放足夠長的時(shí)間以插入分子，同時(shí)不破壞或殺死細(xì)胞，并將分子輸送到細(xì)胞的細(xì)胞核中。”

Meacham描述了他的系統(tǒng)，該系統(tǒng)是他最初在佐治亞理工學(xué)院博士生開發(fā)的一種技術(shù)，是一種聲學(xué)驅(qū)動(dòng)的液滴發(fā)生器。

“我們采用集中的機(jī)械力，例如流體剪切力，使用流體運(yùn)動(dòng)推動(dòng)和拉動(dòng)細(xì)胞，”Meacham說。“我們采用懸浮細(xì)胞并使用超聲波場通過噴嘴尖端或聲學(xué)喇叭中的微觀收縮來泵送流體。這會(huì)產(chǎn)生一種噴霧。懸浮在細(xì)胞中的細(xì)胞會(huì)受到強(qiáng)烈的機(jī)械刺激。它們穿過這個(gè)狹窄的空間，從噴嘴孔中彈出。“

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置在100至150納米的細(xì)胞膜中產(chǎn)生孔，這允許甚至大的有效載荷遞送到細(xì)胞中。此外，毛孔保持打開長達(dá)一分鐘，這足以將分子遞送到細(xì)胞中。Meacham說，該技術(shù)幾乎可用于任何細(xì)胞類型和懸浮介質(zhì)，以及大多數(shù)生物分子和納米材料。

他說，該設(shè)備獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)機(jī)制使研究人員能夠探索更大范圍的剪切速率和電刺激，以針對細(xì)胞特異性優(yōu)化治療參數(shù)。

“我們發(fā)現(xiàn)由于流體流動(dòng)而作用于細(xì)胞的聲壓場和局部剪切應(yīng)力對于在細(xì)胞膜中形成孔是至關(guān)重要的，”Meacham說。“當(dāng)細(xì)胞被迫穿過我們設(shè)備的噴嘴時(shí)，細(xì)胞暴露于噴嘴收縮處的短時(shí)間，高剪切環(huán)境后，觀察到最有效的膜穿孔。”