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再生醫學突破!這一小小的晶元,可在一秒的接觸內實現皮膚細胞的重編程

再生醫學突破!這一小小的晶元,可在一秒的接觸內實現皮膚細胞的重編程

圖片來源:俄亥俄州立大學再生醫學和細胞療法中心

8月7日,《Nature Nanotechnology》期刊在線發表一篇文章,揭示了一種非侵入性重編程皮膚細胞的新技術。來自於俄亥俄州立大學再生醫學和細胞療法中心的研究團隊開發出一個可移植、拇指指甲大小的硅晶元,能夠在一秒鐘的接觸內啟動皮膚細胞的重編程,將其轉變成體內所需的任何一種其他類型的細胞。

這一非侵入性技術被稱為「組織轉染」(tissue nanotransfection,TNT),可以在病人體內生成任何一種所需的細胞,用於組織修復。

1何為TNT?

TNT是一種納米級電穿孔技術,能夠在細胞外膜中產生臨時通道,將新的細胞重編程因子直接植入表皮皮膚細胞。

TNT有兩個關鍵的組成部分:1)基於納米技術的晶元,用於裝載、運輸「貨物」至活體細胞;2)負責細胞重編程的「貨物」,可以將成體細胞轉變成其他類型的細胞。

當裝載有必要重編程因子的晶元被放置於皮膚上后,通過連接一個微弱的電脈衝,在細胞膜形成微小通道,從而促使重編程基因進入皮膚細胞。

「因為電流幅度很小,這種方法能夠以最小的侵入性實現轉染。」 文章通訊作者、化學和生物分子工程學教授L. James Lee表示道。

TNT技術操作過程

2一次接觸

TNT技術不需要藉助實驗室設備或者處理,能夠快速應用於救治現場。整個過程僅僅通過粘貼皮膚表面的晶元完成,且時間不到一秒。

「你所需要的只是裝載有重編程因子的晶元,以及一個電源。」 俄亥俄州立大學Wexner醫療中心再生醫學和細胞療法主任、綜合創傷中心的執行主任Chandan Sen解釋道,「我們可以使用這一技術將皮膚細胞轉換成任何一種細胞,用於治療局部組織、器官的損傷和疾病。」

3皮膚作為一個「生產車間」

研究人員認為,依賴這一創新技術,患者的皮膚可以作為一個「生產車間」,用於產生和提供再生治療所需的細胞。例如,我們可以在3-4周的時間內在小鼠的皮膚上產生了成千上萬的神經元,最終將它們採集、移植到小鼠大腦內。

目前,他們已經在小鼠、豬身上得到驗證,TNT技術能夠讓皮膚細胞重編程生成完整的血管,且新生產的血管可以與已有的血管組織融合,用於修復壞死的皮瓣、挽救嚴重受損的缺血性腿傷。

在試驗中,TNT技術能夠在短短几周內將小鼠的皮膚細胞轉變成功能正常的神經元,這些神經細胞可以從皮膚表層摘除並移植到動物大腦內,以逆轉中風的損傷。

他們認為,這一技術的潛在應用價值巨大。可以治療皮膚損傷、生成神經元,還可以將皮膚細胞轉變成能夠感應血液中葡萄糖水平並分泌胰島素的胰島素B細胞。

Chandan Sen教授展示這一有望革新醫學診療的晶元,它能夠將皮膚細胞轉化為血管細胞,用於治療小白鼠的嚴重傷口。4轉染率高達98%,臨床試驗有望在一年內開展

作為一種非病毒式的基因傳遞技術,電穿孔療法並不新鮮,但是大規模電穿孔技術的成功率卻有限。「這是因為大規模電穿孔會讓整個細胞膜具有滲透性,並對細胞骨架產生影響,削弱細胞的可塑性。相反,TNT僅僅打開微小的通道,隻影響2%的細胞膜區域,從而不會抑制細胞的可塑性。使用TNT,我們實現了超98%的轉染效率和細胞轉變成功率。」

這一最新研究表明,TNT不僅可以用於局部傳遞重編程因子,它還可以將重編程效果傳播至更深層的皮膚組織細胞。因為被轉染的表面細胞會釋放一些化合物(包括信使RNA、蛋白質等),這些生物分子會進一步轉染其他細胞。

研究團隊預期,在FDA批准的前提下,TNT技術的臨床試驗有望在一年之內開展,用於治療缺血性肢體疾病。研究團隊還與Walter Reed陸軍醫學中心合作,嘗試利用TNT技術搶救肢體、周圍神經受損的可行性。

End

參考資料:1)Breakthrough device heals organs with a single touch

2)Regenerative medicine breakthrough: Can a small chip 'heal' entire organs?

3)Chip Reprograms Skin into Any Cell Type

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