將外源性大分子（例如糖類、蛋白質(zhì)、基因等）傳遞到細胞和組織中近年來被用于細胞和基因治療。目前，相關(guān)研究已經(jīng)開發(fā)了各種不同的細胞內(nèi)大分子傳遞策略，包括化學(xué)方法（如脂質(zhì)體、多陽離子等）和物理機械方法（如電穿孔、光穿孔、納米針等）。然而，目前仍缺乏一種高效、非破壞性且適用于體內(nèi)/體外的通用大分子傳遞策略。

光熱方法具有高通量、廣泛的適用性、非破壞性和遠程操作的優(yōu)勢。然而，光熱方法難以實現(xiàn)外源性分子的定向傳遞，這限制了細胞內(nèi)傳遞效率。盡管一些研究人員已經(jīng)嘗試通過人為擠壓來實現(xiàn)外源性分子的定向傳遞，但光熱介導(dǎo)的細胞內(nèi)傳遞效率仍受操作時間差異的限制。因此，通過激光實現(xiàn)外源性分子的定向傳遞成為設(shè)計體內(nèi)/體外通用細胞內(nèi)傳遞策略的關(guān)鍵。

近期，蘇州大學(xué)化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院的通訊作者陳紅教授和江蘇百賽飛公司的王蕾博士合作，開發(fā)了一種稱為光熱泵（PTP）貼片的新型技術(shù)，用于高效、非破壞性地將治療性大分子傳遞到目標細胞和組織中，適用于體外和體內(nèi)應(yīng)用。在這種方法中，通過激光照射，細胞膜發(fā)生可逆性破裂，與此同時，"外源性分子儲庫"也發(fā)生收縮，從而實現(xiàn)了大分子的定向傳遞入細胞，最終達到了高效的細胞內(nèi)傳遞。PTP貼片被認為是一種通用結(jié)構(gòu)，可用于實現(xiàn)高效、非破壞性的體外/體內(nèi)細胞內(nèi)大分子傳遞。在體內(nèi)經(jīng)皮細胞內(nèi)傳遞實驗中，研究團隊證明了這一技術(shù)的有效性。通過使用PTP貼片和由表皮細胞產(chǎn)生的外泌體，目標基因被高效地且無創(chuàng)地傳遞到表皮細胞和真皮細胞中。相關(guān)論文以“Universal Strategy of Efficient Intracellular Macromolecule Directional Delivery Using Photothermal Pump Patch”為題，發(fā)表在Advanced Materials期刊上。第一作者是蘇州大學(xué)化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院的Heming Tang博士。

PTP貼片原理

基于熱膨脹和收縮的響應(yīng)特性，研究人員提出了一種稱為光熱泵（PTP）貼片的新技術(shù)，通過激光驅(qū)動外源性分子的定向傳遞，并將其應(yīng)用于體內(nèi)/體外細胞內(nèi)大分子傳遞。研究人員設(shè)計了帶有許多“外源性分子儲庫”的PTP貼片。在激光照射下，貼片中的光熱材料引發(fā)局部細胞膜破裂，同時擴張聚二甲基硅氧烷（PDMS）以驅(qū)動孔徑收縮，為外源性分子傳遞提供了瞬時的定向驅(qū)動力，從而實現(xiàn)了高效的大分子傳遞（圖1A）。在體內(nèi)經(jīng)皮基因傳遞中，PTP貼片可以將質(zhì)粒脫氧核糖核酸（pDNA）高效地傳遞到表皮細胞，然后通過由表皮細胞產(chǎn)生的外泌體，將目標基因傳遞給真皮細胞（圖1B）。

圖1 細胞內(nèi)大分子定向傳遞的體外/體內(nèi)原理示意圖，通過光熱泵貼片（PTP貼片）實現(xiàn)

PTP貼片的光熱效應(yīng)

為了滿足激光在體內(nèi)/體外使用的安全標準（ANSI Z136.1-2014），研究人員設(shè)計了一種新的策略，通過將金納米棒用聚多巴胺殼包裹（GNR@PDA）來制備光熱材料。這些材料在透明的聚二甲基硅氧烷（PDMS）中均勻分布，使其保持優(yōu)良的透明度和光熱特性。通過激光的光熱效應(yīng)，PTP貼片中的PDMS材料發(fā)生微小的熱膨脹，導(dǎo)致孔徑尺寸減小，從而引發(fā)細胞膜的破裂和外源性分子的定向傳遞。這使得PTP貼片成為一種高效、非破壞性、高適用性的細胞內(nèi)大分子傳遞方法。

圖2 （A、B）具有良好光熱特性的透明光熱材料示意圖；（C）通過摻雜不同含量的GNR@PDA將PDMS制備的光熱材料的可見光透過率；（D）以2.89 W/cm2的功率密度制備的摻雜不同含量GNR@PDA的PDMS光熱材料的光熱曲線

PTP貼片高效實現(xiàn)細胞內(nèi)傳遞

在該研究中，研究人員通過微細圖案表面設(shè)計，創(chuàng)造了能夠與細胞膜、光熱材料和外源性分子直接接觸的環(huán)境。實驗證明，PTP貼片能夠有效地將外源性分子（如熒光染料、蛋白質(zhì)和基因等）傳遞到細胞內(nèi)，實現(xiàn)高效的細胞內(nèi)傳遞。此外，研究人員還證明了PTP貼片在體內(nèi)的應(yīng)用潛力，可以通過皮膚轉(zhuǎn)導(dǎo)的方式將基因傳遞到皮膚細胞中，同時證明了貼片的生物應(yīng)用安全性。

圖3 （A-D）設(shè)計的圖案表面的掃描電子顯微鏡圖像；（E-H）不同外源性分子加載在表面上的共聚焦熒光圖像，包括SYTOX（紅色），異硫氰酸熒光素標記的牛血清白蛋白（FITC-BSA，綠色），熒光素標記的葡聚糖（綠色）和Cy5標記的質(zhì)粒DNA（紅色）；（I-L）PTP貼片中外源性分子的光熱驅(qū)動傳遞過程。隨著照射時間的增加，孔徑尺寸和熒光強度逐漸減小

綜上所述，這項研究提出了一種新穎的光熱泵貼片技術(shù)，用于實現(xiàn)高效、非破壞性的體內(nèi)/體外細胞內(nèi)大分子傳遞。研究人員指出，PTP貼片為治療皮下毛囊、血管、神經(jīng)以及皮下腫瘤等提供了新的可能性。此外，研究人員還展示了PTP貼片在轉(zhuǎn)導(dǎo)免疫檢查點阻滯治療藥物等方面的潛在應(yīng)用，為治療皮膚疾病提供了廣闊的平臺。

審核編輯：劉清