基質(zhì)剛性對聲孔效應單細胞轉(zhuǎn)染的影響

摘要：
本文深入探討了基質(zhì)剛性對聲孔效應介導的單細胞基因轉(zhuǎn)染的影響。實驗采用不同硬度的凝膠基質(zhì)培養(yǎng)力學敏感細胞NIH 3T3，并通過高聲壓短脈沖超聲進行質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)染。結(jié)果表明，硬的凝膠基質(zhì)上培養(yǎng)的細胞轉(zhuǎn)染效率顯著高于軟的凝膠基質(zhì)，為基因治療及藥物導入提供了新視角。

一、引言

聲孔效應是指利用超聲波和靶向微泡結(jié)合，在細胞膜上瞬時產(chǎn)生小孔，從而實現(xiàn)大分子物質(zhì)如DNA、藥物的導入。這種非病毒式、非侵入性的方法在藥物導入及基因治療方面展現(xiàn)出巨大的應用潛能。然而，體外細胞培養(yǎng)環(huán)境與體內(nèi)環(huán)境差異巨大，導致體外研究成果難以直接應用到臨床治療。

近年來，越來越多的證據(jù)表明細胞生長環(huán)境的物理特性對細胞形貌以及功能具有顯著影響。細胞外基質(zhì)剛性是調(diào)控細胞遷移、增殖甚至分化的關(guān)鍵因素。因此，基質(zhì)剛性的差異可能會引起細胞對超聲激勵（即聲孔效應）的動態(tài)響應過程及導入效果的差異。本研究旨在探究細胞外基質(zhì)剛性對聲孔效應介導的單細胞基因轉(zhuǎn)染的影響及規(guī)律。

二、構(gòu)建遺傳轉(zhuǎn)化體系的意義

構(gòu)建穩(wěn)定的遺傳轉(zhuǎn)化體系對于基因治療及藥物導入至關(guān)重要。傳統(tǒng)的基因轉(zhuǎn)染方法如病毒載體存在安全風險，且轉(zhuǎn)染效率受多種因素影響。聲孔效應作為一種新興的非病毒式轉(zhuǎn)染方法，具有操作簡便、安全性高、轉(zhuǎn)染效率可控等優(yōu)點。然而，聲孔效應的效果受細胞外基質(zhì)剛性等物理特性的影響，因此，構(gòu)建適用于不同基質(zhì)剛性的遺傳轉(zhuǎn)化體系具有重要意義。

三、實驗材料與方法

3.1 實驗材料

• 細胞：力學敏感細胞NIH 3T3。

• 凝膠基質(zhì)：采用不同硬度的凝膠基質(zhì)，包括軟的凝膠基質(zhì)（0.2 kPa）和硬的凝膠基質(zhì)（40 kPa）。

• 試劑：3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APES）、二氯二甲基硅烷（DCDMS）、戊二醛溶液、丙烯酰胺原液、雙丙烯酰胺溶液、四甲基乙二胺（TEMED）、過硫酸銨（APS）以及交聯(lián)劑sulfo-SANPAH等。

• 質(zhì)粒DNA：采用Cy3進行熒光標記。

• 超聲設備：聲壓為0.45 MPa的單脈沖串超聲，持續(xù)時間為10 μs。

3.2 實驗方法

1. 凝膠基質(zhì)制備：采用不同試劑制備不同硬度的凝膠基質(zhì)。

2. 細胞培養(yǎng)：將NIH 3T3細胞分別培養(yǎng)在軟的凝膠基質(zhì)和硬的凝膠基質(zhì)上。

3. 質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)染：采用高聲壓短脈沖超聲對培養(yǎng)在不同硬度凝膠基質(zhì)上的細胞進行質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)染。

4. 熒光示蹤：采用共聚焦顯微鏡三維掃描熒光成像，觀察質(zhì)粒DNA在細胞內(nèi)的分布。

5. 細胞骨架蛋白染色：采用FITC標記的鬼筆環(huán)肽對細胞骨架蛋白進行染色，觀察細胞骨架蛋白的分布。

6. 數(shù)據(jù)分析：采用Origin 8.5軟件進行統(tǒng)計學分析，計量數(shù)據(jù)采用平均值±均方根表示。

四、實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明，培養(yǎng)在硬的凝膠基質(zhì)上的細胞，質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)染效率明顯高于培養(yǎng)在軟的凝膠基質(zhì)上的細胞。進一步對質(zhì)粒DNA進行熒光示蹤可知，培養(yǎng)在不同剛性基質(zhì)上的細胞導入質(zhì)粒DNA的方式不同。當細胞被培養(yǎng)在硬的凝膠基質(zhì)上時，通過聲致穿孔產(chǎn)生的小孔進入細胞內(nèi)的質(zhì)粒DNA更多，而培養(yǎng)在軟的凝膠基質(zhì)上的細胞，更多的質(zhì)粒DNA可以通過非聲致穿孔作用。

細胞骨架蛋白分布規(guī)律表明，硬的凝膠基質(zhì)上培養(yǎng)的細胞內(nèi)有更多的F肌動蛋白微絲，可以更好地支撐起細胞的鋪展形態(tài)，相對不容易發(fā)生內(nèi)吞作用。而軟的凝膠基質(zhì)上培養(yǎng)的細胞內(nèi)F肌動蛋白則更多以球形狀態(tài)存在，細胞形貌偏向圓形，此時更容易發(fā)生胞吞作用。

五、外植體關(guān)鍵因素討論

5.1 基質(zhì)剛性

基質(zhì)剛性是影響細胞形態(tài)和功能的關(guān)鍵因素之一。本研究發(fā)現(xiàn)，硬的凝膠基質(zhì)上培養(yǎng)的細胞質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)染效率顯著高于軟的凝膠基質(zhì)。這可能是由于硬的凝膠基質(zhì)上培養(yǎng)的細胞內(nèi)有更多的F肌動蛋白微絲，能夠更好地支撐起細胞的鋪展形態(tài)，從而減少了內(nèi)吞作用的發(fā)生，使得更多的質(zhì)粒DNA通過聲致穿孔進入細胞。

5.2 細胞骨架蛋白

細胞骨架蛋白在維持細胞形態(tài)和功能方面起著重要作用。本研究發(fā)現(xiàn)，硬的凝膠基質(zhì)上培養(yǎng)的細胞內(nèi)F肌動蛋白微絲更多，而軟的凝膠基質(zhì)上培養(yǎng)的細胞內(nèi)F肌動蛋白則更多以球形狀態(tài)存在。這種差異可能是導致不同基質(zhì)剛性上細胞質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)染效率不同的重要原因之一。

六、遺傳轉(zhuǎn)化策略

6.1 聲孔效應優(yōu)化

為了提高聲孔效應介導的單細胞基因轉(zhuǎn)染效率，可以通過優(yōu)化超聲參數(shù)和靶向微泡的制備來實現(xiàn)。例如，調(diào)整超聲的聲壓、頻率和脈沖持續(xù)時間等參數(shù)，以及選擇合適的靶向微泡類型和濃度，可以進一步提高質(zhì)粒DNA的轉(zhuǎn)染效率。

6.2 基質(zhì)剛性調(diào)控

通過調(diào)控細胞外基質(zhì)的剛性，可以實現(xiàn)對細胞形態(tài)和功能的調(diào)控，從而進一步提高聲孔效應介導的單細胞基因轉(zhuǎn)染效率。例如，可以采用生物材料制備具有不同剛性的細胞培養(yǎng)基質(zhì)，以適應不同細胞的生長需求。

七、研究的創(chuàng)新與應用前景

7.1 研究創(chuàng)新

本研究通過實驗手段揭示了基質(zhì)剛性對聲孔效應介導的單細胞基因轉(zhuǎn)染的影響及規(guī)律。通過構(gòu)建不同硬度的凝膠基質(zhì)，并采用高聲壓短脈沖超聲進行質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)染，成功觀察到了不同基質(zhì)剛性上細胞質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)染效率的差異。這一發(fā)現(xiàn)為基因治療及藥物導入提供了新的視角和方法。

7.2 應用前景

本研究的結(jié)果在基因治療、藥物導入及細胞工程等領域具有廣泛的應用前景。例如，在基因治療方面，可以通過調(diào)控細胞外基質(zhì)的剛性來提高目標細胞的轉(zhuǎn)染效率，從而實現(xiàn)更有效的基因治療。在藥物導入方面，可以利用聲孔效應將藥物直接導入目標細胞，提高藥物的療效和安全性。在細胞工程方面，可以通過調(diào)控細胞外基質(zhì)的剛性來優(yōu)化細胞的培養(yǎng)條件，促進細胞的生長和分化。

八、結(jié)論

本研究深入探討了基質(zhì)剛性對聲孔效應介導的單細胞基因轉(zhuǎn)染的影響。實驗結(jié)果表明，硬的凝膠基質(zhì)上培養(yǎng)的細胞質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)染效率顯著高于軟的凝膠基質(zhì)。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，這種差異與細胞骨架蛋白的分布有關(guān)。本研究的結(jié)果為基因治療及藥物導入提供了新的視角和方法，具有重要的理論意義和實際應用價值。

未來的研究可以進一步探索不同基質(zhì)剛性對細胞形態(tài)和功能的影響機制，以及優(yōu)化聲孔效應介導的單細胞基因轉(zhuǎn)染策略。同時，也可以將本研究的結(jié)果應用于其他類型的細胞和組織，以拓展其應用范圍。通過不斷的研究和探索，相信聲孔效應介導的單細胞基因轉(zhuǎn)染將在生物醫(yī)學領域發(fā)揮越來越重要的作用。