納米微針是將外源性生物分子遞送至細胞的有效工具。盡管納米微針目前已被應用于多種疾病的治療，但關于細胞如何與納米微針相互作用的機制仍然缺乏研究。

近期，美國西北大學的Shana O. Kelley團隊提出了一種生成納米微針的新方法，并驗證了它們在藥物遞送中的實用性，研究了其在藥物遞送過程中的遺傳調節因子。研究人員首先基于電沉積法制造了納米微針陣列，并使用熒光標記的蛋白質和siRNA量化了其遞送功效。值得注意的是，研究人員發現該納米微針會破壞細胞膜，增強細胞-細胞連接蛋白的表達，并下調NFκB通路轉錄因子的表達。這種擾動使得大部分細胞停留在細胞的內吞活性最高的G2期。該系統為研究細胞與高縱橫比材料之間的相互作用提供了一個新模型。

金納米微針用于原代細胞或干細胞的細胞內遞送示意圖

將外源性生物分子遞送到細胞中是基因組編輯和細胞治療的基礎。現有方法通常涉及使用危險、有毒或低效的病毒、電場或化學試劑。因此，有效且具有成本效益的細胞內遞送方法且細胞毒性和細胞應激最小的策略尚未得到開發。 特征尺寸為100 μm~500 μm的微針已被證明具有細胞內遞送的功能。然而，通過被動擴散為主的微針的遞送效率通常很低（8%到20%)。

此外，人們開發出通過微針介導的電穿孔將質粒主動遞送到細胞中。盡管效率提高到50%，但該裝置需要高電壓 (>50 V) 才能運行。 相比之下，高縱橫比納米材料，尤其是特征尺寸為100 nm~1000 nm的垂直納米微針，在體外細胞內遞送包括核酸、納米粒子、治療藥物、蛋白質和代謝物中表現出廣泛的實用性、高效率（高達95%）和較小的細胞毒性作用。此外，納米微針已被引入用于原位基因/免疫治療，并在動物模型和體內取得了令人鼓舞的結果。納米微針已被證明是一種安全有效的細胞內遞送工具。

盡管在實驗室層面取得了成功，但納米微針從實驗室到臨床的轉化非常有限。其中有幾個關鍵挑戰仍未解決。事實上，納米微針的制造通常涉及使用反應離子蝕刻（RIE），這是昂貴、不可擴展、勞動密集型的，并且需要集中的潔凈室設施。RIE的使用極大地阻礙了納米微針的大規模制造。

此外，先前的研究已經利用已建立的癌細胞系來評價遞送效率，例如淋巴細胞癌。這些癌細胞系通常易于轉染，因此不能很好地代表用作治療的原代細胞或干細胞。 此外，目前已有的研究尚未系統地了解納米微針介導的細胞內遞送的原理。在一些研究中提出，納米微針只是通過膜破裂穿透細胞膜，而其他人則認為滲透模型過度簡化了細胞-納米微針界面。納米微針的存在可以通過細胞膜的動態生化和生物力學調節促進生物分子的攝取。

最近的一項研究還強調，納米微針甚至可以通過機械轉導調節核基因的表達。總之，這些發現表明需要深入研究細胞-納米微針界面。

研究人員最近引入了用于研究細胞和納米結構之間相互作用的電沉積電極。該電沉積方法高度可調，可以在模板介導或無模板的的情況下制造具有不同程度納米結構。值得注意的是，具有高度可調的幾何形狀和密度的納米微針可以通過簡單的設置在幾分鐘內沉積到裸露的金表面。這促使該電沉積能夠作為一種快速、無RIE制造納米微針的方法。

具有可調形態和納米微針密度的生物相容性納米微結構（NMA）的電沉積

在該項研究中，研究人員首次報告了使用電沉積來制造金納米微針，用于難以轉染的原代細胞和干細胞的細胞內遞送。電沉積方法快速、無RIE、可擴展且成本相對較低。研究人員研究了納米微針形態、遞送效率和細胞毒性之間的關系。基于膜聯蛋白V的染色，研究人員發現具有不同形態的金納米微針對細胞的活力和凋亡影響最小。

在 0 mV和~300 mV的電壓下沉積的高尖納米微針具有更好的遞送效率。在電沉積納米微針的幫助下，各種外源性生物分子（葡聚糖、白蛋白、轉鐵蛋白、量子點、siRNA）被成功地遞送至原代細胞和干細胞中，包括多能干細胞、間充質干細胞、內皮細胞和原代成纖維細胞。

含有高密度納米針的NMA促進各種生物分子在多個難以轉染的原代細胞中的遞送

含有高密度納米針的NMA促進siRNA的轉染，并在蛋白質水平上產生顯著的抑制作用

研究人員還研究了提高效率的潛在機制，并發現電沉積納米微針通過阻止細胞進入G2細胞周期來促進生物分子的內吞作用。進一步的微陣列和質譜分析表明，這種細胞周期停滯源于細胞膜上的有限粘附，通過NFκB途徑轉導至細胞核，并通過調節細胞核中的E2F和CDK蛋白實現。綜上所述，該研究結果證明了電沉積金納米微針對于生物分子的遞送的效用，并提供了復雜納米結構與原代細胞之間相互作用的生物學原理。

NMAs通過細胞周期停滯促進膜運輸

綜上所述，研究人員開發了一種快速、無RIE的策略來通過電沉積制造具有可調納米結構的納米微針（NMA）。NMA可顯著促進原代細胞對蛋白質和siRNA的內吞作用，從而提高基因敲低的效率。研究人員對轉錄組和蛋白質組進行了全面分析，以揭示其潛在機制。結果表明，內吞作用是通過 NFκB通路從NMA轉導到細胞核的細胞周期停滯的結果。總之，研究人員的研究結果表明，生物界面中高縱橫比納米結構的存在可以引起比膜變形更復雜的生物反應。與納米結構的相互作用將改變多種細胞內過程，例如信號轉導和細胞周期。重要的是，納米結構誘導的細胞周期停滯可用于改善細胞內吞過程并產生有效的細胞內遞送。在設計未來的多功能生物界面以進一步提高藥物輸送的效率時，具有廣泛的應用前景。

審核編輯：劉清