細(xì)胞膜圍繞著活細(xì)胞，嚴(yán)格控制進(jìn)出細(xì)胞的物質(zhì)。細(xì)胞需要這一屏障來(lái)控制內(nèi)部環(huán)境，但這也使科學(xué)家們無(wú)法輕易向細(xì)胞導(dǎo)入大分子，例如用于成像的納米顆粒和用來(lái)重編程多能干細(xì)胞的蛋白。

日前，麻省理工MIT的研究人員開發(fā)了將大分子送入細(xì)胞膜的新途徑，讓細(xì)胞擠壓著通過(guò)狹窄的管道使細(xì)胞膜打開臨時(shí)性的小孔。該方法非常安全有效，RNA、蛋白或納米顆粒等任何漂浮在細(xì)胞外的大分子都能輕松進(jìn)入細(xì)胞膜。文章發(fā)表在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊PNAS雜志上。

研究人員用這一技術(shù)成功向細(xì)胞導(dǎo)入蛋白進(jìn)行iPS重編程，成功率比現(xiàn)有方法高10至100倍。此外，他們還用該技術(shù)運(yùn)送了碳納米管和量子點(diǎn)等納米顆粒，來(lái)對(duì)細(xì)胞內(nèi)部事件進(jìn)行成像和監(jiān)控。

“將大分子導(dǎo)入細(xì)胞是非常有用的。這個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)能夠運(yùn)輸多種不同物質(zhì)，我們認(rèn)為很有趣，”文章的資深作者材料科學(xué)和工程學(xué)教授Klavs Jensen說(shuō)，MIT的Robert Langer教授也是本文資深作者。

常用方法此前，科學(xué)家們開發(fā)了多種方法將大分子導(dǎo)入細(xì)胞，但它們都或多或少存在著缺陷。例如，可以將DNA或RNA包裝到擅長(zhǎng)進(jìn)入細(xì)胞的病毒中，但風(fēng)險(xiǎn)在于有些病毒DNA可能整合到宿主細(xì)胞基因組中。因此，這一方法雖然在實(shí)驗(yàn)室中很常見(jiàn)，但還未被FDA批準(zhǔn)用于人類患者。

給大分子添加一個(gè)能穿過(guò)細(xì)胞膜的短蛋白，也能帶著大分子一同進(jìn)入細(xì)胞。或者也可以把DNA或蛋白包裝在合成納米顆粒中，導(dǎo)入細(xì)胞。不過(guò)，根據(jù)細(xì)胞類型和運(yùn)輸物質(zhì)的不同，這些系統(tǒng)往往需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，比較麻煩。而且納米顆粒攜帶的物質(zhì)容易被細(xì)胞中的內(nèi)吞體endosome捕獲，可能從而產(chǎn)生有毒的副作用。

此外，人們廣為采用的電穿孔，可能對(duì)細(xì)胞和所運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)造成破壞。

微流體系統(tǒng)MIT的新系統(tǒng)可適用于許多細(xì)胞類型，研究人員已經(jīng)用人類和小鼠的11種細(xì)胞進(jìn)行了成功測(cè)試，包括胚胎干細(xì)胞和免疫細(xì)胞。該系統(tǒng)也同樣適用于直接取自人類患者的細(xì)胞，這種細(xì)胞通常比實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的細(xì)胞系更難操作。

這一新成果的基礎(chǔ)建立在Jensen和Langer實(shí)驗(yàn)室以前的研究上，那時(shí)他們?cè)诩?xì)胞流經(jīng)微流體設(shè)備時(shí)用顯微注射將大分子導(dǎo)入細(xì)胞。這一過(guò)程中，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)胞擠壓著通過(guò)狹窄管道時(shí)，細(xì)胞膜上的小孔打開，允許附近分子擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞。

于是，研究人員建立了這個(gè)微流體芯片，其上有40-70個(gè)平行管道。他們將細(xì)胞懸浮在含有導(dǎo)入物質(zhì)的溶液中，使其高速流過(guò)管道（約1m/s）。在管道中，細(xì)胞要通過(guò)比其直徑小30-80%的窄道。研究顯示，細(xì)胞不會(huì)受到任何無(wú)法恢復(fù)的損傷，仍能保持正常功能。

應(yīng)用前景

研究團(tuán)隊(duì)正在力求將這一系統(tǒng)用于干細(xì)胞研究，幫助治療多種疾病。他們已經(jīng)成功將人成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為多能干細(xì)胞，計(jì)劃再用這一系統(tǒng)導(dǎo)入蛋白使干細(xì)胞分化為特定組織。

該技術(shù)還有一項(xiàng)重要應(yīng)用，就使運(yùn)送量子點(diǎn)，即由半導(dǎo)體金屬組成的發(fā)熒光納米顆粒。量子點(diǎn)能夠用于標(biāo)記單個(gè)蛋白或細(xì)胞內(nèi)的其他分子，但如何將其導(dǎo)入細(xì)胞膜而不被內(nèi)吞體endosome捕獲令許多人頭疼。

MIT研究人員曾于十一月發(fā)表文章，顯示能夠?qū)⒘孔狱c(diǎn)導(dǎo)入體外培養(yǎng)的人類細(xì)胞，同時(shí)避免顆粒凝聚或被內(nèi)吞體捕獲。現(xiàn)在，他們正在用量子點(diǎn)標(biāo)記細(xì)胞中的特定蛋白。

研究人員還提出可以用這一新系統(tǒng)進(jìn)行疫苗接種。理論上，科學(xué)家們可以取患者的免疫細(xì)胞，使其通過(guò)微流體設(shè)備并暴露在病毒蛋白中，然后再將細(xì)胞輸回給患者。一旦進(jìn)入體內(nèi)，細(xì)胞可以激活免疫應(yīng)答，賦予機(jī)體對(duì)病毒蛋白的免疫力。