日本国立物质材料研究机构陈国平教授和福州大学杨建民副教授在单细胞纳米封装方面取得新进展

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单细胞纳米封装（Single Cell Nanoencapsulation），即将单个细胞包裹在纳米尺度的封装层内。相比于传统的细胞微胶囊封装技术，纳米尺度的封装层能有效提高氧气、营养物质的交换效率，防止细胞缺氧以及细胞饥饿的发生，从而有效维持细胞活性和各项生物学功能。单细胞纳米封装技术在细胞治疗、组织工程以及细胞生物学分析领域具有重要作用。然而，采用传统方法构建的单细胞纳米封装系统，封装层结构松散，封装持续效果短，难以满足长期免疫隔离和细胞保护的目的。此外，封装细胞的“on-site”释放亦未见报道。

图 1. 单细胞纳米封装系统

近日，日本国立物质材料研究机构（NIMS）陈国平教授和福州大学杨建民副教授将传统层层自组装法（LbL）与硫醇—马来酰亚胺（Thiol-MAL）反应相结合，在单个哺乳动物细胞表面构建了酶响应性的纳米封装层。研究首先将带有相反电荷的聚乙二醇—马来酰亚胺（PEG-MAL）修饰的明胶分子通过静电相互作用沉积在细胞表面，形成明胶高分子膜。随后，将两端为半胱氨酸的合成肽链引入到明胶高分子膜中，利用半胱氨酸上的Thiol基团与明胶上的MAL基团反应形成结构稳定的纳米封装层。由于合成的肽链能够被基质金属蛋白酶-7（MMP-7）酶解，因此当细胞封装系统处于高浓度MMP-7环境时，封装层随之解离从而实现细胞的释放。MMP-7通常在炎症和肿瘤区域过量表达，因此该单细胞纳米封装系统有望用于细胞治疗特别是基于细胞的肿瘤治疗。

图 2. 酶响应性单细胞纳米封装系统

该方法采用的反应条件十分温和，封装效率高，构建的单HeLa和hMSC细胞纳米封装系统均表现出较高的细胞存活率。

图 3. 单细胞纳米封装效果表征

胰蛋白酶攻击试验发现，相对于裸露的细胞，封装后的细胞具有较高的存活率，这主要是由于封装层自身结构的尺寸排阻效应阻挡了胰蛋白酶的渗透，该效应有望解决细胞治疗过程中的免疫排斥反应；此外，封装后的细胞在高速离心力作用下仍具有较高的存活率，这是因为纳米封装层能够保护细胞膜的完整性同时防止细胞溶质分子的外漏，该效应可以避免细胞在注射以及血管内流通过程中受到剪切力而造成的低细胞存活率。

图 4. 纳米封装层的细胞保护能力测试

对封装后的细胞进行培养发现，HeLa和hMSC细胞表面的纳米封装层分别在4天和8天的时候都能保持完整，且封装细胞始终处于未增殖状态。此外，封装细胞在接触高浓度的MMP-7酶溶液时能够缓慢释放，且释放后的细胞活性、增殖能力以及hMSC细胞的干细胞功能未收到封装和酶解过程的影响。

图 5. 纳米封装持续时间和酶响应释放

该项成果以“Encapsulation of individual living cells with enzyme responsive polymer nanoshell”为题在线发表在生物材料领域一流期刊Biomaterials上，第一作者为杨建民副教授，通讯作者为陈国平教授。该研究工作得到了日本JSPS（No. 18K19947和No. 18K19945），中国国家自然科学基金（31800796）以及福州大学“旗山学者（海外项目）”（GXRC-17049）的资助。

在此之前，两位作者分别采用原位聚合反应，层层自组装法结合点击化学反应，在单细胞表面构建了纳米尺度的高分子膜，相关结果发表在J Mater Chem B和Biomaterials期刊上。该系列研究成果丰富了单个哺乳动物细胞的纳米封装方法，在细胞治疗、细胞传输、细胞传感器以及单细胞水平生物学分析等领域具有重要应用价值。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014296121930050X

相关论文

1. J Yang, Y. Yang, N Kawazoe, G Chen*, Encapsulation of individual living cells with enzyme responsive polymer nanoshell, Biomaterials 2019, DOI: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2019.01.029.

2. J Yang, J Li, X Li, X Wang, Y. Yang, N Kawazoe, G Chen*, Nanoencapsulation of individual mammalian cells with cytoprotective polymer shell, Biomaterials 2017, 133, 253-262.

3. J Yang, J Li, X Wang, X Li, N Kawazoe, G Chen*, Single mammalian cell encapsulation by in situ polymerization, J Mater Chem B 2016, 4, 7662-7668.

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