导读:一个来自日本丰桥技术科学大学的研究团队发展了一个纳秒脉冲的激光辅助光穿孔技术,使用的是二氧化钛纳米管来实现了高效率和低成本的细胞内传递.这一最新研究成本发表在2021年出版的期刊《 Applied Surface Science》上.

图１　该成果的艺术构图

图解: (a) 二氧化钛纳米管顶部的胞状结构和 (b)使用一排纳米管和脉冲激光之间的相互作用来实现大规模平行光穿孔

提高输送外部分子进入活体细胞的同时且具有高的细胞活性和传输能力的潜力在用于诊断,药物输送和细胞生物学等方面和治疗发展基于细胞治疗和再生医学等方面具有非常重要的意义.在过去的许多年里,药物输送系统的发展促进了药物剂量的更加精准的控制和减少了副作用的危害.这些技术可以分为病毒、物理或化学方法三大类.

在这些办法中,光致孔作用自问世以来已经迅速的在细胞内传递领域成为非常流行的一种技术,这主要得益于该技术的侵袭性比较低.在这一办法中,金纳米粒子,吸收脉冲光,分散 在溶液中来打孔细胞,然而,这一材料却比较昂贵.比较理想的是使用相对比较廉价的纳米材料且同时可以保证高的输送效率和细胞活性.

研究团队设计和制造了一个低成本的纳米管排列用于基于光穿孔的细胞内传递.二氧化钛纳米管在钛合金板材上在不同的电压和时间下使用电化学阳极氧化技术来形成.采用XPS(X射线电子能谱,X-ray photoelectron spectroscopy (XPS))揭示了不同TiO2种类的存在,诸如TiO2 和 TixOy (TiO/Ti2O3/Ti3O5).二氧化钛纳米管在不同的阳极氧化电压和时间下具有不同的浓度,如氧化物的种类沿着Ti金属具有少量的质量.由于形成氧缺陷,纳米管具有准金属和金属的特性.这些纳米管的特性也许会在纳秒脉冲激光辐照后通过不同的机理促进细胞间的输送.

图２　在二氧化钛纳米管上进行光致孔作用进行货物交付的可能的机理的示意图

HeLa-人宫颈癌细胞在纳米二氧化钛纳米管和生物分子溶液中培养.在纳米管中暴露在532nm的纳米脉冲激光下,研究人员成功的输送了碘化丙啶（PI）和葡聚糖到HeLa上,在这一人宫颈癌细胞上具有高效的输送效果和高的细胞活性.

细胞膜穿孔的可能的机理包括:热介导纳米气泡,光化学诱导活性氧,自纳米管到细胞膜的热传递,在这一纳米管局部表面等离子体共振强电磁场等.这就导致在每一个细胞膜-纳米管的界面上空化纳米气泡的形成,将会快速的生长,合并和坍塌,从而导致爆炸,导致细胞膜的穿孔,这促进生物分子自细胞外部到细胞内部进行输送.这一在二氧化钛纳米管为基础的辅助光穿孔的细胞间的输送的精准的机理仍然不清楚.细胞间的输送也许是几个不同机理的混合效应,丰桥技术科学大学的L. Mohan说到.

图３　氧化钛纳米管在15 V@2 h的条件下形成的3D图 (a-c) 和 2D (d-f) 图

Moeto Nagai, 是丰桥技术科学大学的关于这一项目的领导者,相信二氧化钛纳米管可以是形式多样的和低成本的平台用于使用脉冲激光来实现细胞间的输送.这一装置多变的突出的特征具有平行和控制均匀的输送的特点,且具有高效率和细胞活性的优点,同时应用在细胞质量和再生医生上非常有潜力.

图4 一个以AuNS层为介导的等离子体光穿孔平台在激光辐照的前提下用于生物分子的输送输送至粘附细胞

图解:这一成果是2018年俄罗斯科学院所发展的一个新办法,基于星状的金纳米粒子的合成,该合成是通过激光辐照来实现的.具有宽广的可定制的条件为制造舒适的环境来提供不同的物质来输送至不同类型的细胞中提供了一个新的技术.该成果是是价格比较昂贵的金为载体的,这是该成果的一大缺点.

文章来源:L. Mohan et al, Can titanium oxide nanotubes facilitate intracellular delivery by laser-assisted photoporation? Applied Surface Science，Volume 543, 30 March 2021, 148815，DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.148815，

参考文献:A novel cell transfection platform based on laser optoporation mediated by Au nanostar layers,Timofey Pylaev Ekaterina Vanzha Elena Avdeeva Boris Khlebtsov Nikolai Khlebtsov,Journal of Biophotonics,11 September 2018 https://doi.org/10.1002/jbio.201800166