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可穿戴生物芯片在單細(xì)胞傳感和基因轉(zhuǎn)染中的應(yīng)用

MEMS ? 來源:YXQ ? 2019-04-12 16:40 ? 次閱讀
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柔性可穿戴生物醫(yī)學(xué)芯片目前主要可應(yīng)用于:1)皮膚或器官生理信號傳感器;2)透皮給藥、在體基因轉(zhuǎn)染(圖1)。近年來,微納米技術(shù)的發(fā)展,使可穿戴傳感器在單細(xì)胞精度上進(jìn)行長時(shí)間、實(shí)時(shí)生理參數(shù)的檢測。另一方面,基于微納米結(jié)構(gòu)的在體透皮遞送系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精確分子遞送,包括小分子(如葡萄糖等)和大分子(如蛋白,質(zhì)粒等)。最新報(bào)道的一些納米轉(zhuǎn)染芯片可以有效地表貼于皮膚上,并在單細(xì)胞精度上進(jìn)行基因轉(zhuǎn)染。與常規(guī)方法相比,納米芯片的轉(zhuǎn)染效率、安全性和劑量可控性都具有顯著優(yōu)勢。

圖1 可佩戴單細(xì)胞傳感器和單細(xì)胞基因轉(zhuǎn)染芯片

北京航空航天大學(xué)常凌乾教授(第一作者)、樊瑜波教授(通訊作者),休斯敦大學(xué)余存江教授(通訊作者),內(nèi)布拉斯加大學(xué)楊瑞國教授(通訊作者),北德克薩斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院Yu-Chieh Wang教授聯(lián)合在Cell Press著名綜述期刊《Trends in Biotechnology》上發(fā)表論文,評論和展望了單細(xì)胞傳感和基因轉(zhuǎn)染佩戴式生物芯片的研究。北航生物醫(yī)學(xué)與工程學(xué)院為第一單位。

第一部分總結(jié)了單細(xì)胞檢測的佩戴式傳感芯片。理論上講,傳感器敏感區(qū)域尺寸決定了是否可以檢測單細(xì)胞。設(shè)計(jì)細(xì)胞尺寸(10~100 μm)的敏感區(qū)域,嚴(yán)格控制敏感膜與細(xì)胞之間的距離,即目標(biāo)分子(如細(xì)胞激素、多肽、神經(jīng)遞質(zhì)等)的傳遞距離,可有效提高傳感器的信噪比(S/N)。除此之外,傳感器材料也是構(gòu)建單細(xì)胞傳感器的重要條件:基底材料直接決定了傳感器與皮膚或器官的接觸性;生物敏感膜材料決定了傳感器的靈敏度、準(zhǔn)確度和長時(shí)間工作可靠性。綜述總結(jié)了最新報(bào)道的具有單細(xì)胞精度傳感器的原理、器件性能和功能、檢測細(xì)胞種類和信號類別等(圖2)。

圖2 有望具備單細(xì)胞精度的可穿戴傳感器。(a)可從皮膚細(xì)胞檢測到的代表性信號。(b)rGO/FeTCPs FET傳感器用于單細(xì)胞精度NO檢測;(c)基于CNT/PDMS的ECG電極;(d)基于微流控的單細(xì)胞檢測芯片。

第二部分聚焦于在體透皮藥物遞送和基因轉(zhuǎn)染芯片系統(tǒng)。常規(guī)的透皮系統(tǒng)僅可用于遞送易被表皮細(xì)胞、真皮細(xì)胞吸收的小分子物質(zhì),如葡萄糖、胰島素等。大分子質(zhì)粒、核酸等,由于很難直接進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),常規(guī)遞送系統(tǒng)往往導(dǎo)致很低的效率。最新微納米生物芯片可以單細(xì)胞精度上直接進(jìn)行在體大分子遞送或基因轉(zhuǎn)染。綜述總結(jié)了兩種基于物理方法的可表貼佩戴式的細(xì)胞基因轉(zhuǎn)染系統(tǒng),即納米電穿孔基因轉(zhuǎn)染技術(shù)和納米針尖系統(tǒng),并討論了各自的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍(圖3)。

圖3 單細(xì)胞精度的在體基因轉(zhuǎn)染芯片。(a)一種可以直接貼皮的聚合物柔性微針陣列可用于在體電穿孔;(b)可降解納米硅針陣列用于在體核酸遞送;(c)硅基納米通道電穿孔技術(shù)用于在體細(xì)胞重編程。

最后,對該領(lǐng)域研究進(jìn)行展望,提出5個(gè)關(guān)鍵問題,包括,如何設(shè)計(jì)敏感膜以實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞精度;如何確保在佩戴和檢測過程中皮膚和敏感膜的有效接觸;如何微型化遞送系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞基因轉(zhuǎn)染;如果在深層皮膚內(nèi)達(dá)到具有治療效果的遞送和轉(zhuǎn)染;如何整合芯片系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多種功能等。

文章檢索:

L. Chang, Y. Wang, F. Ershad, R. Yang, C. Yu, Y. Fan, Wearable Devices for Single Cell Sensing and Transfection.Trends in Biotechnology, 2019, DOI: 10.1016/j.tibtech.2019.04.001

課題組簡介:

常凌乾博士,現(xiàn)為北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院教授,醫(yī)工交叉高精尖中心單細(xì)胞分析納米技術(shù)研究所(INSCA)執(zhí)行副所長。曾擔(dān)任美國北德克薩斯大學(xué)(University of North Texas)生物醫(yī)學(xué)工程系助理教授(Tenure Track),入選2017年中組部‘青年千人計(jì)劃’。

課題組研究聚焦于單細(xì)胞基因轉(zhuǎn)染技術(shù)、細(xì)胞微操縱技術(shù)、細(xì)胞基因檢測、治療等技術(shù)的研究。近五年在國際知名期刊發(fā)表SCI論文50篇,如Nature Nanotechnology, Nano Letters, Small等。

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點(diǎn)僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報(bào)投訴
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原文標(biāo)題:北航常凌乾、樊瑜波發(fā)表綜述:可穿戴生物芯片在單細(xì)胞傳感和基因轉(zhuǎn)染中的應(yīng)用

文章出處:【微信號:MEMSensor,微信公眾號:MEMS】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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