基于特超声技术的人造细胞膜破孔机理

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       特声波 (Hypersound) 指频率为千兆赫兹以上的声波，其产生的特殊声流体现象由天津大学MEMS实验室首先发现并命名。之前的研究发现，特声波可以诱导细胞膜结构产生特超声声孔效应 (Hypersonic Poration)。这种基于特超声波刺激的，用于改变生物膜通透性的方法对于实现可控药物释放等生物应用具有重要意义。目前细胞传输领域中虽然有多种物理方法可以改变细胞膜的通透性，但仍然难以实现向一些人体的起源性细胞（例如免疫细胞，神经元细胞或干细胞等）进行有效的物质传输。尽管存在极大的挑战，但基于特超声波刺激的传输技术有望通过与其他先进技术（例如微流控技术，片上微系统技术等）相结合，从而实现将需要传输的任意种类的物质运送至任意种类的目标细胞。

       近日，天津大学段学欣教授课题组与荷兰特温特大学Jurriaan Huskens教授课题组合作研究基于特超声技术的人造细胞膜破孔机理，相关研究成果发表在RSC旗下期刊Materials Chemistry Frontiers，并被选为杂志封面报道。

    本课题从实验角度出发，设计并制作了一种集成了声学谐振器和金电极的微芯片系统 （图1a），并将磷脂双分子层 (Supported Lipid Bilayer) 用作细胞膜模型（图1b），通过研究磷脂膜在特超声波刺激下的声学行为，揭示了特超声声孔效应的作用机理。

图1. 集成了声波谐振器和金电极的微芯片系统。（a）微芯片系统俯视图。（b）沉积了磷脂双分子层的检测系统图，其中谐振器和金电极同时被磷脂膜覆盖，金电极与外接场效应晶体管的门电极相连。

        实验中，微芯片上的金电极与场效应晶体管的外接门电极相连，用于实时性地检测磷脂膜内外的电信号变化。如图2a所示，施加声学刺激时，场效应晶体管会检测到瞬时上升的电流，说明金电极上方的磷脂膜的通透性被改变，溶液中的离子穿过磷脂膜后到达金电极，导致电流上升；当刺激关闭时，电流会恢复初始值，说明磷脂膜的通透性得到恢复，且该声学刺激不会损坏膜的完整性。此外，实验发现特超声波刺激导致的电流变化幅值与其功率大小呈正相关（图2b）。此外，为评估特超声波刺激对磷脂膜结构的影响，我们分别使用循环伏安法，原子力显微镜和共聚焦显微镜等技术对施加刺激后的磷脂膜完整性和形貌进行了表征。进一步验证了特超声波刺激下磷脂膜的通透性的变化。

Design rationale and working principle of HCA–SS–HCPT

        该工作通过实验方法实时性地测试了磷脂膜在特超声波作用下的通透性的变化，为特超声声孔效应的机理研究奠定了基础，并定量分析了通透性变化导致的电流幅值与特超声波功率之间的关系，从而有望将此方法扩展应用于定量可控的药物释放等生物应用中。

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Hypersonic poration of supported lipid bilayers

Yao Lu, Jurriaan Huskens, Wei Pang and Xuexin Duan

Mater. Chem. Front., 2019,3, 782-790

http://dx.doi.org/10.1039/C8QM00589C

*文中图片皆来源上述文章

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通讯作者简介

    近年来，在国家自然基金-荷兰NWO国际合作项目的资助下，段学欣教授与Jurriaan Huskens教授在特超声细胞膜破孔机理及其相关应用上取得了多项显著成果，相关成果发表在Angewandte Chemie International Edition, 2018, 58(1):159; ACS Applied Materials & Interfaces, 2019; 11(22):19734 等杂志上。