Тканевая нанотрансфекция
Тканевая нанотрансфекция ( TNT ) — это метод, основанный на электропорации, позволяющий доставлять или трансфицировать гены и лекарства на наноуровне. (TE) без каркаса Кроме того, TNT представляет собой метод тканевой инженерии , который можно рассматривать как индуцирующий только клетки или ткани, в зависимости от применения на клеточном или тканевом уровне. Метод трансфекции использует наноканалы для местной доставки груза в ткани.
История
[ редактировать ]Методы доставки грузов основаны на носителях, например, наночастицах , вирусных векторах или физических подходах, таких как генные пушки , микроинъекции или электропорация. [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Различные методы могут быть ограничены размерами или способностью эффективно доставлять груз без повреждения тканей. Электропорация — это физический метод, при котором электрическое поле открывает поры в обычно полупроницаемой клеточной мембране, через которые может проникнуть груз. В этом процессе заряды можно использовать для перемещения груза в определенном направлении.
Объемная электропорация (BEP) является наиболее традиционным методом электропорации. Преимущества заключаются в высокой производительности и минимальном времени наладки. [7] Обратной стороной BEP является то, что клеточная мембрана испытывает неравномерное распределение электрического поля, и многие мембраны получают необратимые повреждения, из-за которых они больше не могут закрываться, что приводит к низкой жизнеспособности клеток.
Были предприняты попытки миниатюризировать электропорацию, такую как микроэлектропорация (MEP). [10] и наноканальная электропорация (NEP) [11] который использует электропорацию для доставки груза через микро /наноканалы соответственно. Было показано, что эти методы имеют более высокую эффективность доставки, повышенную однородность трансфекции и повышенную жизнеспособность клеток по сравнению с BEP. [12]
Техника
[ редактировать ]При тканевой нанотрансфекции используются изготовленные по индивидуальному заказу массивы наноканалов для наноразмерной доставки генетического груза непосредственно на поверхность кожи. Чип размером с почтовую марку помещается непосредственно на кожу, и в течение миллисекунд индуцируется электрический ток, который доставляет генный груз с точным контролем. Этот подход доставляет достаточное количество факторов перепрограммирования в отдельные клетки, создавая потенциал для мощного метода трансфекции генов и перепрограммирования. [11] [12] Доставленный груз затем преобразует пораженные клетки в клетки желаемого типа без предварительного преобразования их в стволовые клетки. TNT — это новый метод, который использовался на моделях мышей для успешной трансфекции фибробластов в нейроноподобные клетки, а также для устранения ишемии на моделях мышей с индуцированной сосудистой сетью и перфузией . [13] Современные методы требуют, чтобы изготовленный чип TNT был помещен на кожу, а загрузочный резервуар был заполнен раствором гена. Электрод анод ( катод ) помещается в лунку, а противоэлектрод ( ) помещается под чип внутрикожно (в кожу). Создаваемое электрическое поле доставляет гены. [13]
Первоначальные эксперименты с TNT показали, что гены можно доставлять в кожу мышей. [13] коктейль генных факторов ( ABM ). Как только это было подтверждено, Вирбухен использовал [14] и соавт. для перепрограммирования фибробластов в нейроны. [12] [13] Доставка этих факторов продемонстрировала успешное перепрограммирование in vivo , и сигналы распространились от эпидермиса к слоям кожи дермы. Считается, что это явление опосредовано внеклеточными везикулами. [15] и, возможно, другие факторы [18]. Успешное перепрограммирование определялось путем проведения гистологических и электрофизиологических тестов, чтобы подтвердить, что ткань ведет себя как функциональные нейроны. [13]
Помимо стимуляции нейронов, Gallego-Perez et al. также намеревались индуцировать эндотелиальные клетки в ишемизированной конечности мыши, которые без надлежащего кровотока некротизируются и разлагаются. Используя запатентованный коктейль плазмид ( Etv2, Fli1, Foxc2 или EFF) , эти факторы были доставлены в ткани над местом операции. С помощью различных методов, включая гистологию и лазерную спекл-визуализацию , перфузию и образование новой сосудистой сети проверяли уже через 7 дней после лечения. [13]
Этот метод был разработан для борьбы с ограничениями существующих подходов, такими как нехватка доноров для снабжения источниками клеток и необходимость индуцировать плюрипотентность . [14] [15] [16] [17] [18] [19] Перепрограммирование клеток in vivo использует преимущества легкодоступных клеток, минуя необходимость предварительной обработки. [20] [21] Большинство методов перепрограммирования в значительной степени зависят от вирусной трансфекции. [22] [23] TNT позволяет реализовать невирусный подход, который способен решить проблемы размера капсида , повысить безопасность и усилить детерминированное перепрограммирование. [13]
Разработка
[ редактировать ]Техника тканевой нанотрансфекции была разработана как метод эффективной и безопасной доставки груза в живые ткани. Этот метод основан на высокопроизводительных методах наноэлектропорации, разработанных Ли и Гальего-Пересом из отдела химической и биомолекулярной инженерии штата Огайо для целей перепрограммирования клеток. Сен (хирургия/регенеративная медицина) адаптировал эту технологию в сотрудничестве с Ли из инженерного отдела для приложений перепрограммирования тканей in vivo, а Гальего-Перес выполнял роль общего сотрудника в двух программах. Разработка стала результатом совместных усилий Инженерного колледжа и Медицинского колледжа ОГУ под руководством Гальего-Переса (доктор философии), Ли (доктор философии) и Сена (доктор философии).
Эта технология была изготовлена с использованием технологий чистых помещений, фотолитографии и глубокого реактивного ионного травления (DRIE) кремниевых пластин для создания наноканалов с травлением обратной стороны резервуара для загрузки желаемых факторов, как описано в Gallego-Perez et al 2017. [13] Затем этот чип подключается к электрическому источнику, способному создавать электрическое поле для перемещения факторов из резервуара в наноканалы и на контактирующую ткань. Позже, при поддержке Сюаня, Сен разработал текущую версию чипа для нанотрансфекции тканей. [24]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Чэнь З, Чжан А, Ван Х, Чжу Дж, Фань Ю, Ю Х, Ян Цз (2017). «Достижения углеродных нанотрубок в диагностике и терапии рака» . Журнал наноматериалов . 2017 : 1–13. дои : 10.1155/2017/3418932 .
- ^ Кан С, Сунь Ю, Чжу Дж, Ли В, Чжан А, Куанг Т, Се Дж, Ян Цз (30 сентября 2016 г.). «Доставка наночастиц для лечения опухоли головного мозга». Современный метаболизм лекарств . 17 (8): 745–754. дои : 10.2174/1389200217666160728152939 . ПМИД 27469219 .
- ^ Се Дж., Ян З., Чжоу С., Чжу Дж., Ли Р.Дж., Тенг Л. (июль 2016 г.). «Нанотехнологии доставки фитохимических веществ в терапии рака». Достижения биотехнологии . 34 (4): 343–353. doi : 10.1016/j.biotechadv.2016.04.002 . ПМИД 27071534 .
- ^ Чен Z, Чен Z, Чжан А, Ху Дж, Ван X, Ян Z (июнь 2016 г.). «Электропрядные нановолокна для диагностики и терапии рака». Биоматериаловедение . 4 (6): 922–32. дои : 10.1039/C6BM00070C . ПМИД 27048889 .
- ^ Ша Л, Чен З, Чен З, Чжан А, Ян З (2016). «Нанокомпозиты на основе полимолочной кислоты: перспективные безопасные и биоразлагаемые материалы в биомедицинской области» . Международный журнал полимерной науки . 2016 : 1–11. дои : 10.1155/2016/6869154 .
- ^ Се Дж., Тенг Л., Ян З., Чжоу С., Лю Ю., Юнг BC, Ли Р.Дж. (2013). «Конъюгат полиэтиленимин-линолевой кислоты для доставки антисмысловых олигонуклеотидов» . БиоМед Исследования Интернэшнл . 2013 : 710502. doi : 10.1155/2013/710502 . ПМЦ 3683435 . ПМИД 23862153 .
- ^ Перейти обратно: а б Ши Дж, Ма Ю, Чжу Дж, Чэнь Ю, Сунь Ю, Яо Ю, Ян Цзи, Се Дж (ноябрь 2018 г.). «Обзор внутриклеточной доставки на основе электропорации» . Молекулы . 23 (11): 3044. doi : 10,3390/molecules23113044 . ПМК 6278265 . ПМИД 30469344 .
- ^ Сунь Дж, Ван Х, Ву Дж, Цзян С, Шэнь Дж, Купер М.А., Чжэн Х, Лю Ю, Ян Цз, Ву Д (апрель 2018 г.). «Биомиметическая микрорельефная нанотехнология: улучшенное просветление с превосходными характеристиками самоочистки» . Научные отчеты . 8 (1): 5438. Бибкод : 2018НатСР...8.5438С . дои : 10.1038/s41598-018-23771-y . ПМК 5883013 . ПМИД 29615712 .
- ^ Сунь Дж, Кормаков С, Лю Ю, Хуан Ю, Ву Д, Ян Цзи (июль 2018 г.). «Последний прогресс в фотодинамической терапии, опосредованной наночастицами металлов» . Молекулы . 23 (7): 1704. doi : 10.3390/molecules23071704 . ПМК 6099795 . ПМИД 30002333 .
- ^ Куросава О, Оана Х, Мацуока С, Нома А, Котера Х, Васизу М (01 декабря 2006 г.). «Электропорация через микроотверстие и ее применение для измерения реакции клеток на внешние раздражители». Измерительная наука и технология . 17 (12): 3127–3133. дои : 10.1088/0957-0233/17/12/S02 . S2CID 121182614 .
- ^ Перейти обратно: а б Букани П.Е., Морсс А., Ляо В.К., Хенсли Б., Юнг Х., Чжан Х., Ю Б., Ван Х., Ву Ю., Ли Л., Гао К., Ху Х., Чжао Х., Хеммингер О., Лу В., Лафиатис Г.П., Ли Л.Дж. (октябрь 2011 г.). «Наноканальная электропорация доставляет точное количество биомолекул в живые клетки». Природные нанотехнологии . 6 (11): 747–54. Бибкод : 2011НатНа...6..747Б . дои : 10.1038/nnano.2011.164 . ПМИД 22002097 .
- ^ Перейти обратно: а б с Гальего-Перес Д., Отеро Дж. Дж., Чейслер С., Ма Дж., Ортис С., Гигли П. и др. (февраль 2016 г.). «Детерминированная трансфекция способствует эффективному невирусному перепрограммированию и выявляет барьеры перепрограммирования» . Наномедицина . 12 (2): 399–409. дои : 10.1016/j.nano.2015.11.015 . ПМК 5161095 . ПМИД 26711960 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Гальего-Перес Д., Пал Д., Гатак С., Малкок В., Игита-Кастро Н., Гньявали С., Чанг Л., Ляо В.К., Ши Дж., Синха М., Сингх К., Стин Е., Сунеч А., Стюарт Р., Мур Дж., Зиебро. Т., Норткатт Р.Г., Хомси М., Бертани П., Лу В., Рой С., Ханна С., Ринк С., Сундаресан В.Б., Отеро Дж.Дж., Ли Л.Дж., Сен С.К. (октябрь 2017 г.). «Местная нанотрансфекция тканей способствует невирусному перепрограммированию и спасению стромы» . Природные нанотехнологии . 12 (10): 974–979. Бибкод : 2017НатНа..12..974Г . дои : 10.1038/nano.2017.134 . ПМК 5814120 . ПМИД 28785092 .
- ^ Перейти обратно: а б Вирбухен Т., Остермайер А., Панг З.П., Кокубу Й., Зюдхоф Т.К., Верниг М. (февраль 2010 г.). «Прямое преобразование фибробластов в функциональные нейроны с помощью определенных факторов» . Природа . 463 (7284): 1035–41. Бибкод : 2010Natur.463.1035V . дои : 10.1038/nature08797 . ПМЦ 2829121 . ПМИД 20107439 .
- ^ Перейти обратно: а б Валади Х., Экстрём К., Боссиос А., Сьёстранд М., Ли Дж.Дж., Лётваль Дж.О. (июнь 2007 г.). «Перенос мРНК и микроРНК, опосредованный экзосомами, является новым механизмом генетического обмена между клетками». Природная клеточная биология . 9 (6): 654–9. дои : 10.1038/ncb1596 . ПМИД 17486113 . S2CID 8599814 .
- ^ Дэвис Д.М., Совински С. (июнь 2008 г.). «Мембранные нанотрубки: динамические связи на большие расстояния между клетками животных». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 9 (6): 431–6. дои : 10.1038/nrm2399 . ПМИД 18431401 . S2CID 8136865 .
- ^ Розова И., Дао М., Капочча Б., Линк Д., Нолта Х.А. (август 2008 г.). «Гипоксическое прекондиционирование приводит к увеличению подвижности и улучшению терапевтического потенциала мезенхимальных стволовых клеток человека» . Стволовые клетки . 26 (8): 2173–82. doi : 10.1634/stemcells.2007-1104 . ПМК 3017477 . ПМИД 18511601 .
- ^ Киносита М, Фудзита Ю, Катаяма М, Баба Р, Шибакава М, Ёсикава К, Катаками Н, Фурукава Ю, Цуки Т, Нагано Т, Куримото Ю, Ямасаки К, Ханда Н, Окада Ю, Куронака К, Нагата Ю, Мацубара Ю , Фукусима М., Асахара Т., Кавамото А. (октябрь 2012 г.). «Отдаленный клинический результат после внутримышечной трансплантации гранулоцитарных колониестимулирующих факторов CD34-положительных клеток у пациентов с критической ишемией конечностей». Атеросклероз 224 (2): 440–5. doi : 10.1016/j.atherosclerosis.2012.07.031 . ПМИД 22877866 .
- ^ Лосордо Д.В., Диммелер С. (июнь 2004 г.). «Терапевтический ангиогенез и васкулогенез при ишемической болезни: часть II: клеточная терапия» . Тираж . 109 (22): 2692–7. дои : 10.1161/01.CIR.0000128596.49339.05 . ПМИД 15184293 .
- ^ Ли А.С., Тан С., Рао М.С., Вайсман И.Л., Ву Дж.К. (август 2013 г.). «Туморогенность как клиническое препятствие для терапии плюрипотентными стволовыми клетками» . Природная медицина . 19 (8): 998–1004. дои : 10.1038/нм.3267 . ПМК 3967018 . ПМИД 23921754 .
- ^ Каннингем Дж.Дж., Улбрайт Т.М., Пера М.Ф., Лойженга Л.Х. (сентябрь 2012 г.). «Уроки тератом человека для разработки безопасной терапии стволовыми клетками». Природная биотехнология . 30 (9): 849–57. дои : 10.1038/nbt.2329 . ПМИД 22965062 . S2CID 20383770 .
- ^ Ледук П.Р., Вонг М.С., Феррейра П.М., Грофф Р.Э., Хаслингер К., Кунсе М.П. и др. (январь 2007 г.). «На пути к биологически вдохновленной нанофабрике in vivo». Природные нанотехнологии . 2 (1): 3–7. Бибкод : 2007НатНа...2....3Л . дои : 10.1038/nnano.2006.180 . ПМИД 18654192 .
- ^ Генрих С., Спаньоли FM, Бернингер Б. (март 2015 г.). «Перепрограммирование in vivo для восстановления тканей». Природная клеточная биология . 17 (3): 204–11. дои : 10.1038/ncb3108 . ПМИД 25720960 . S2CID 32061267 .
- ^ Сюань, И; Гатак, Субхадип; Кларк, Эндрю; Ли, Чжиган; Ханна, Савита; Пак, Донмин; Агарвал, Мангилал; Рой, Сашвати; Сомневаюсь, Питер; Сен, Чандан К. (декабрь 2021 г.). «Изготовление и использование кремниевых матриц с полыми иглами для достижения нанотрансфекции тканей мышиной ткани in vivo» . Протоколы природы . 16 (12): 5707–5738. дои : 10.1038/ s41596-021-00631-0 ПМЦ 9104164 . ПМИД 34837085 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Веетил А.Т., Чакраборти К., Сяо К., Минтер М.Р., Сисодиа С.С., Кришнан Ю. (декабрь 2017 г.). «Нанокапсулы ДНК, нацеленные на клетки, для пространственно-временного высвобождения заключенных в клетку биоактивных малых молекул». Природные нанотехнологии . 12 (12): 1183–1189. Бибкод : 2017НатНа..12.1183В . дои : 10.1038/nnano.2017.159 . ПМИД 28825714 .
- Герце Х.Д., Шумахер Д., Шнайдер А.Ф., Людвиг А.К., Манн Ф.А., Филлис М., Каспер М.А., Рейнке С., Краузе Э., Леонхардт Х., Кардозо М.К., Хакенбергер К.П. (август 2017 г.). «Проницаемые для клеток нанотела для целенаправленной иммуномаркировки и манипуляций с антигенами в живых клетках». Природная химия . 9 (8): 762–771. Бибкод : 2017НатЧ...9..762H . дои : 10.1038/nchem.2811 . ПМИД 28754949 .