Нанотрансфекция тканей ( TNT ) - это основанный на электропорации метод, позволяющий доставлять гены и лекарственные препараты или трансфекцию на наноуровне. Кроме того, TNT - это метод тканевой инженерии (TE) без каркаса, 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 к тканям.
История
Способы доставки грузов зависят от носителей, например наночастиц, вирусных векторов, или физических подходов, таких как генные пушки, микроинъекции или электропорация [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]] [9] Различные методы могут быть ограничены размерами или их способностью эффективно доставлять груз без повреждения тканей. Электропорация - это физический метод, который использует электрическое поле для открытия пор в обычно полупроницаемой клеточной мембране, через которую может проникать груз. В этом процессе заряды могут использоваться для перемещения груза в определенном направлении.
Объемная электропорация (ВОП) - это наиболее традиционный метод электропорации. Преимущества заключаются в высокой пропускной способности и минимальном времени на переналадку. [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 закрыться, что приводит к низкой жизнеспособности клеток.
Были предприняты попытки миниатюризировать электропорацию, такую как микроэлектропорация (MEP) [10] и наноканальная электропорация (NEP) [11], которые используют электропорацию для доставки груза через микро / наноканалы соответственно. Эти методы показали более высокую эффективность доставки, повышенную однородность трансфекции и повышенную жизнеспособность клеток по сравнению с BEP. [12]
Техника
Нанотрансфекция тканей использует специально изготовленные массивы наноканалов для доставки генетического груза в наномасштабе непосредственно на поверхность кожи. Чип размером с почтовую марку помещается непосредственно на кожу, и индуцируется электрический ток длительностью в несколько миллисекунд, чтобы доставить генный груз с точным контролем. Этот подход предоставляет большое количество факторов перепрограммирования отдельным клеткам, создавая потенциал для мощного метода трансфекции и перепрограммирования генов. [11] [12] Доставленный груз затем трансформирует пораженные клетки в клетки желаемого типа без предварительной трансформации их в стволовые клетки. TNT - это новый метод, который использовался на моделях мышей для успешной трансфекции фибробластов в нейроноподобные клетки наряду с устранением ишемии на моделях мышей с индуцированной сосудистой сетью и перфузией [13] . Современные методы требуют размещения изготовленного TNT-чипа на коже и заполнения резервуара для загрузки генным раствором. В лунку вводят электрод (катод), а противоэлектрод (анод) помещают под чип внутрикожно (в кожу). Генерируемое электрическое поле доставляет гены. [13]
Первоначальные эксперименты по TNT показали, что гены могут доставляться к коже мышей. [13] Как только это было подтверждено, была использована смесь генных факторов ( ABM), которую Vierbuchen [14] и его сотрудники использовали для репрограммирования фибробластов в нейроны. [12] [13] Доставка этих факторов продемонстрировала успешное перепрограммирование in vivo и передачу сигналов от эпидермиса к слоям кожи дермы. Считается, что этот феномен опосредуется внеклеточными пузырьками [15] и, возможно, другими факторами [18]. Успешное перепрограммирование было определено путем проведения гистологических и электрофизиологических тестов, чтобы подтвердить, что ткань ведет себя как функциональные нейроны. [13]
Помимо индукции нейронов, Gallego-Perez et al. Также намеревались индуцировать эндотелиальные клетки в ишемической конечности мыши, которая без надлежащего кровотока становится некротической и разрушается. Используя запатентованный коктейль плазмид ( Etv2, Fli1, Foxc2 или EFF) , эти факторы были доставлены в ткань над местом операции. С использованием различных методов, включая гистологию и лазерную визуализацию спеклов, перфузия и создание новой сосудистой сети было проверено уже через 7 дней после лечения. [13]
Этот метод был разработан для борьбы с ограничениями существующих подходов, такими как нехватка доноров для обеспечения источников клеток и необходимость индуцировать плюрипотентность. [14] [15] [16] [17] [18] [19] При перепрограммировании клеток in vivo используются легкодоступные клетки, минуя необходимость предварительной обработки. [20] [21] Большинство методов репрограммирования сильно зависят от вирусной трансфекции [22] [23] TNT позволяет реализовать невирусный подход, который позволяет преодолеть проблемы с размером капсида, повысить безопасность и детерминированное перепрограммирование. [13]
Разработка
Техника тканевой нанотрансфекции была разработана как метод эффективной и щадящей доставки груза к живым тканям. Этот метод основан на высокопроизводительных методах наноэлектропорации, разработанных для приложений перепрограммирования клеток доктором Ли и доктором Галлего-Пересом из отдела химической и биомолекулярной инженерии штата Огайо. Разработка была совместными усилиями инженерного колледжа ОГУ и медицинского колледжа. доктора Гальего-Переса (доктор философии), доктора Ли (доктор философии) и доктора Сена (доктор философии)
Эта технология была изготовлена с использованием методов чистых помещений, фотолитографии и глубокого реактивного ионного травления (DRIE) кремниевых пластин для создания наноканалов с травлением задней стороны резервуара для загрузки требуемых факторов, как описано в Gallego-Perez et al 2017. [13] Этот чип затем является подключен к источнику электрического тока, способному создавать электрическое поле для перемещения факторов из резервуара в наноканалы и на контактируемую ткань.
Рекомендации
- ↑ Chen Z, Zhang A, Wang X, Zhu J, Fan Y, Yu H, Yang Z (2017). «Достижения углеродных нанотрубок в диагностике и лечении рака» . Журнал наноматериалов . 2017 : 1–13. DOI : 10.1155 / 2017/3418932 .
- ^ Кан Ч, Сун И, Чжу Дж, Ли В, Чжан А, Куанг Т, Се Дж, Ян З (30.09.2016). «Доставка наночастиц для лечения опухолей головного мозга». Текущий метаболизм лекарств . 17 (8): 745–754. DOI : 10.2174 / 1389200217666160728152939 . PMID 27469219 .
- ^ Се Дж., Ян З., Чжоу Ц., Чжу Дж., Ли Р. Дж., Дэн Л. (июль 2016 г.). «Нанотехнологии для доставки фитохимических веществ в терапии рака». Достижения биотехнологии . 34 (4): 343–353. DOI : 10.1016 / j.biotechadv.2016.04.002 . PMID 27071534 .
- ^ Chen Z, Chen Z, Zhang A, Hu J, Wang X, Yang Z (июнь 2016 г.). «Электроспрядные нановолокна для диагностики и терапии рака». Наука о биоматериалах . 4 (6): 922–32. DOI : 10.1039 / C6BM00070C . PMID 27048889 .
- ^ Ша Л, Чен З, Чен З, Чжан А, Ян З (2016). «Нанокомпозиты на основе полимолочной кислоты: перспективные безопасные и биоразлагаемые материалы в биомедицине» . Международный журнал науки о полимерах . 2016 : 1–11. DOI : 10.1155 / 2016/6869154 .
- ^ Се Дж, Тэн Л., Ян З., Чжоу С., Лю И, Юнг BC, Ли Р. Дж. (2013). «Конъюгат полиэтиленимин-линолевая кислота для доставки антисмысловых олигонуклеотидов» . BioMed Research International . 2013 : 710502. дои : 10,1155 / 2013/710502 . PMC 3683435 . PMID 23862153 .
- ^ а б Ши Дж, Ма И, Чжу Дж, Чен И, Сунь И, Яо И, Ян З, Се Дж (ноябрь 2018 г.). "Обзор внутриклеточной доставки на основе электропорации" . Молекулы . 23 (11): 3044. DOI : 10,3390 / molecules23113044 . PMC 6278265 . PMID 30469344 .
- ^ Сунь Дж, Ван Х, Ву Дж, Цзян Ц., Шен Дж, Купер М.А., Чжэн Х, Лю И, Ян З, Ву Д. (апрель 2018 г.). «Биомиметические микрорельефные нанофабрики: улучшенное антибликовое покрытие с превосходными характеристиками самоочищения» . Научные отчеты . 8 (1): 5438. Bibcode : 2018NatSR ... 8.5438S . DOI : 10.1038 / s41598-018-23771-у . PMC 5883013 . PMID 29615712 .
- ^ Сунь Дж., Кормаков С., Лю И, Хуанг И, Ву Д., Ян З. (июль 2018 г.). «Недавний прогресс в фотодинамической терапии, опосредованной наночастицами на основе металлов» . Молекулы . 23 (7): 1704. DOI : 10.3390 / modules23071704 . PMC 6099795 . PMID 30002333 .
- ^ Куросава О, Оана Х, Мацуока С., Нома А, Котера Х, Васидзу М. (01.12.2006). «Электропорация через микропроцессорное отверстие и ее применение для измерения ответа клетки на внешние раздражители». Измерительная наука и технология . 17 (12): 3127–3133. DOI : 10.1088 / 0957-0233 / 17/12 / S02 .
- ^ а б Boukany PE, Morss A, Liao WC, Henslee B, Jung H, Zhang X, Yu B, Wang X, Wu Y, Li L, Gao K, Hu X, Zhao X, Hemminger O, Lu W, Lafyatis GP, Lee LJ (Октябрь 2011 г.). «Наноканальная электропорация доставляет точное количество биомолекул в живые клетки». Природа Нанотехнологии . 6 (11): 747–54. Bibcode : 2011NatNa ... 6..747B . DOI : 10.1038 / nnano.2011.164 . PMID 22002097 .
- ^ а б в Гальего-Перес Д., Отеро Дж. Дж., Чейслер С., Ма Дж., Ортис С., Гигли П. и др. (Февраль 2016). «Детерминированная трансфекция управляет эффективным невирусным репрограммированием и раскрывает барьеры репрограммирования» . Наномедицина . 12 (2): 399–409. DOI : 10.1016 / j.nano.2015.11.015 . PMC 5161095 . PMID 26711960 .
- ^ Б с д е е г ч Гальего-Перес Д., Пал Д., Гхатак С., Малкок В., Хигита-Кастро Н., Гнявали С., Чанг Л., Ляо В. К., Ши Дж., Синха М., Сингх К., Стин Е., Сунец А., Стюарт Р., Мур Дж., Зибро Т, Норткатт Р., Хомси М., Бертани П., Лу В., Рой С., Кханна С., Ринк С, Сундаресан В. Б., Отеро Дж. Дж., Ли Л. Дж., Сен К. К. (октябрь 2017 г.). «Нанотрансфекция тканей для местного применения опосредует перепрограммирование и спасение невирусной стромы» . Природа Нанотехнологии . 12 (10): 974–979. Bibcode : 2017NatNa..12..974G . DOI : 10.1038 / nnano.2017.134 . PMC 5814120 . PMID 28785092 .
- ^ а б Vierbuchen T, Ostermeier A, Pang ZP, Kokubu Y, Südhof TC, Wernig M (февраль 2010 г.). «Прямое преобразование фибробластов в функциональные нейроны определенными факторами» . Природа . 463 (7284): 1035–41. Bibcode : 2010Natur.463.1035V . DOI : 10,1038 / природа08797 . PMC 2829121 . PMID 20107439 .
- ^ а б Валади Х., Экстрём К., Боссиос А., Сьёстранд М., Ли Дж. Дж., Летвалль Дж. О. (июнь 2007 г.). «Опосредованный экзосомами перенос мРНК и микроРНК - новый механизм генетического обмена между клетками». Природа клеточной биологии . 9 (6): 654–9. DOI : 10.1038 / ncb1596 . PMID 17486113 . S2CID 8599814 .
- ^ Дэвис Д.М., Совински С. (июнь 2008 г.). «Мембранные нанотрубки: динамические связи на большие расстояния между клетками животных». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология . 9 (6): 431–6. DOI : 10.1038 / nrm2399 . PMID 18431401 . S2CID 8136865 .
- ^ Rosová I, Dao M, Capoccia B, Link D, Nolta JA (август 2008 г.). «Гипоксическое предварительное кондиционирование приводит к увеличению подвижности и улучшению терапевтического потенциала мезенхимальных стволовых клеток человека» . Стволовые клетки . 26 (8): 2173–82. DOI : 10.1634 / стволовые клетки.2007-1104 . PMC 3017477 . PMID 18511601 .
- ^ Киношита М., Фудзита Ю., Катаяма М., Баба Р., Шибакава М., Йошикава 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 CD34-положительных клеток, мобилизованных на гранулоцитарный колониестимулирующий фактор, у пациентов с критической ишемией конечностей». Атеросклероз . 224 (2): 440–5. DOI : 10.1016 / j.atherosclerosis.2012.07.031 . PMID 22877866 .
- ^ Losordo DW, Dimmeler S (июнь 2004 г.). «Терапевтический ангиогенез и васкулогенез при ишемической болезни: часть II: клеточная терапия» . Тираж . 109 (22): 2692–7. DOI : 10,1161 / 01.CIR.0000128596.49339.05 . PMID 15184293 .
- ^ Ли А.С., Тан Ц., Рао М.С., Вайсман Иллинойс, Ву Дж.С. (август 2013 г.). «Онкогенность как клиническое препятствие для лечения плюрипотентными стволовыми клетками» . Природная медицина . 19 (8): 998–1004. DOI : 10.1038 / nm.3267 . PMC 3967018 . PMID 23921754 .
- ^ Каннингем Дж. Дж., Ульбрайт TM, Пера М. Ф., Лойенга Л. Х. (сентябрь 2012 г.). «Уроки тератом человека для разработки безопасных методов лечения стволовыми клетками». Природа Биотехнологии . 30 (9): 849–57. DOI : 10.1038 / nbt.2329 . PMID 22965062 . S2CID 20383770 .
- ^ Leduc PR, Wong MS, Ferreira PM, Groff RE, Haslinger K, Koonce MP и др. (Январь 2007 г.). «На пути к биологической нанофабрике in vivo». Природа Нанотехнологии . 2 (1): 3–7. Bibcode : 2007NatNa ... 2 .... 3L . DOI : 10.1038 / nnano.2006.180 . PMID 18654192 .
- ^ Генрих С., Spagnoli FM, Бернингер Б. (март 2015 г.). «Перепрограммирование in vivo для восстановления тканей». Природа клеточной биологии . 17 (3): 204–11. DOI : 10.1038 / ncb3108 . PMID 25720960 . S2CID 32061267 .
Внешние ссылки
- Veetil AT, Chakraborty K, Xiao K, Minter MR, Sisodia SS, Krishnan Y (декабрь 2017 г.). "Нацеленные на клетки ДНК нанокапсулы для пространственно-временного высвобождения заключенных в клетку биоактивных малых молекул". Природа Нанотехнологии . 12 (12): 1183–1189. Bibcode : 2017NatNa..12.1183V . DOI : 10.1038 / nnano.2017.159 . PMID 28825714 .
- Герц HD, Шумахер Д., Шнайдер А.Ф., Людвиг А.К., Манн Ф.А., Филлис М., Каспер М.А., Рейнке С., Краузе Э., Леонхардт Х., Кардосо М.С., Хакенбергер С.П. (август 2017 г.). «Проницаемые для клеток нанотела для направленного иммуно-мечения и манипуляции с антигенами в живых клетках». Химия природы . 9 (8): 762–771. Bibcode : 2017NatCh ... 9..762H . DOI : 10.1038 / nchem.2811 . PMID 28754949 .