Nanotransfekce tkání - Tissue nanotransfection - Wikipedia

Nanotransfekce tkání (TNT) je elektroporace - technika založená na dodávce nákladu genů a drog nebo transfekce v nanoměřítku. TNT je navíc bez lešení Tkáňové inženýrství (TE) technika, kterou lze považovat pouze za buňku nebo tkáň indukující v závislosti na aplikacích na úrovni buněk nebo tkání. Metoda transfekce využívá nanokanály k lokálnímu dodání nákladu do tkání.

Dějiny

Způsoby přepravy nákladu se spoléhají na nosiče, například nanočástice, virové vektory nebo fyzikální přístupy, jako jsou genové zbraně, mikroinjekce nebo elektroporace[1][2][3][4][5][6][7][8][9] Různé metody mohou být omezeny omezeními velikosti nebo jejich schopností efektivně doručovat náklad bez poškození tkáně. Elektroporace je fyzikální metoda, která využívá elektrické pole k otevření pórů v normálně semipermeabilní buněčné membráně, přes kterou může vstupovat náklad. V tomto procesu mohou být nálože použity k pohonu nákladu určitým směrem.

Hromadná elektroporace (BEP) je nejběžnější metoda elektroporace. Výhody přicházejí v podobě vysoké propustnosti a minimálních instalačních časů.[7] Nevýhodou BEP je, že buněčná membrána zažívá nerovnoměrné rozložení elektrického pole a mnoho membrán dostává nevratné poškození, ze kterého se již nemohou zavřít, což vede k nízké životaschopnosti buněk.

Byly učiněny pokusy o miniaturizaci elektroporace jako např mikroelektroportaion (Poslanec)[10] a nanokanálová elektroporace (NEP)[11] který pomocí elektroporace přistupuje k doručování nákladu přes mikro / nanokanály. Ukázalo se, že tyto techniky mají vyšší účinnost podávání, zvýšenou uniformní transfekci a zvýšenou životaschopnost buněk ve srovnání s BEP.[12]

Technika

Tkáňová nanotransfekce využívá na zakázku vyrobená nanokanálová pole pro dodávání genetického nákladu v nanoměřítku přímo na povrch kůže. Čip velikosti poštovní známky je umístěn přímo na kůži a je indukován elektrický proud trvající milisekundy, aby se genový náklad dostal s přesnou kontrolou. Tento přístup přináší do jednotlivých buněk dostatečné množství faktorů přeprogramování, čímž vytváří potenciál pro silnou metodu transfekce genů a metodu přeprogramování.[11][12] Dodané zboží poté transformuje postižené buňky na požadovaný typ buňky, aniž by je nejprve transformoval na kmenové buňky. TNT je nová technika a byla použita na myších modelech k úspěšné transfekci fibroblastů do buněk podobných neuronům spolu se záchranou ischemie u myších modelů s indukovanou vaskulaturou a perfúzí [13]. Současné metody vyžadují, aby byl vyrobený TNT čip umístěn na kůži a plnicí nádrž naplněna genovým roztokem. Do jamky se umístí elektroda (katoda) s protielektrodou (anoda) umístěnou pod čipem intradermálně (do kůže). Generované elektrické pole dodává geny.[13]

Počáteční experimenty TNT ukázaly, že geny mohou být dodávány do kůže myší.[13] Jakmile se to potvrdilo, koktejl genových faktorů (ABM) používá Vierbuchen[14] a spolupracovníci k přeprogramování fibroblastů na neurony.[12][13] Dodání těchto faktorů prokázalo úspěšné přeprogramování in vivo a signály šířené z epidermis do vrstev kůže dermis. Předpokládá se, že tento jev je zprostředkován extracelulárními vezikuly[15] a potenciálně další faktory [18]. Úspěšné přeprogramování bylo určeno provedením histologických a elektrofyziologických testů k potvrzení, že se tkáň chovala jako funkční neurony.[13]

Kromě indukce neuronů se Gallego-Perez et al také rozhodli indukovat endoteliální buňky v končetině ischemické myši, která se bez správného průtoku krve stává nekrotickou a rozpadá se. Pomocí patentovaného koktejlu plazmidů (Etv2, Fli1, Foxc2 nebo EFF), tyto faktory byly dodány do tkáně nad místem chirurgického zákroku. Pomocí různých metod, včetně histologie a laserového zobrazování skvrn, byla perfúze a zavedení nové vaskulatury ověřeno již 7 dní po ošetření.[13]

Tato technika byla vyvinuta k boji proti omezením současných přístupů, jako je nedostatek dárců k zásobování buněčnými zdroji a potřeba vyvolat pluripotenci.[14][15][16][17][18][19] Přeprogramování buněk in vivo využívá výhod snadno dostupných buněk, čímž obchází potřebu předběžného zpracování.[20][21] Většina metod přeprogramování silně spoléhá na virovou transfekci [22][23] TNT umožňuje implementaci nevirového přístupu, který je schopen překonat problémy s velikostí kapsidy, zvýšit bezpečnost a zvýšit deterministické přeprogramování.[13]

Rozvoj

Technika nanotransfekce tkání byla vyvinuta jako metoda pro efektivní a benigní dodávku nákladu do živých tkání. Tato technika staví na vysoce výkonných metodách nanoelektroporace vyvinutých pro aplikace přeprogramování buněk Dr. Lee a Dr. Gallego-Perezem z chemického a biomolekulárního inženýrství státu Ohio. Vývoj byl společným úsilím mezi OSU College of Engineering a College of Medicine Dr. Gallego-Perez (Ph.D), Dr. Lee (Ph.D) a Dr. Sen (Ph.D)

Tato technologie byla vyrobena pomocí technik čistých prostor a fotolitografie a hlubokého reaktivního iontového leptání (DRIE ) křemíkových destiček k vytvoření nanokanálů s leptáním zadní strany zásobníku pro načítání požadovaných faktorů, jak je popsáno v Gallego-Perez et al 2017.[13] Tento čip je poté připojen k elektrickému zdroji, který je schopen dodávat elektrické pole k pohánění faktorů ze zásobníku do nanokanálů a na kontaktovanou tkáň.

Reference

  1. ^ Chen Z, Zhang A, Wang X, Zhu J, Fan Y, Yu H, Yang Z (2017). „Pokroky uhlíkových nanotrubiček v diagnostice a terapii rakoviny“. Journal of Nanomaterials. 2017: 1–13. doi:10.1155/2017/3418932.
  2. ^ Kang C, Sun Y, Zhu J, Li W, Zhang A, Kuang T, Xie J, Yang Z (2016-09-30). "Dodávka nanočástic pro léčbu mozkového nádoru". Současný metabolismus drog. 17 (8): 745–754. doi:10.2174/1389200217666160728152939. PMID  27469219.
  3. ^ Xie J, Yang Z, Zhou C, Zhu J, Lee RJ, Teng L (červenec 2016). „Nanotechnologie pro dodávání fytochemikálií při léčbě rakoviny“. Biotechnologické pokroky. 34 (4): 343–353. doi:10.1016 / j.biotechadv.2016.04.002. PMID  27071534.
  4. ^ Chen Z, Chen Z, Zhang A, Hu J, Wang X, Yang Z (červen 2016). "Electrospun nanovlákna pro diagnostiku a terapii rakoviny". Věda o biomateriálech. 4 (6): 922–32. doi:10.1039 / C6BM00070C. PMID  27048889.
  5. ^ Sha L, Chen Z, Chen Z, Zhang A, Yang Z (2016). „Nanokompozity na bázi kyseliny polymléčné: slibné bezpečné a biologicky odbouratelné materiály v biomedicínské oblasti“. International Journal of Polymer Science. 2016: 1–11. doi:10.1155/2016/6869154.
  6. ^ Xie J, Teng L, Yang Z, Zhou C, Liu Y, Yung BC, Lee RJ (2013). „Konjugát polyethylenimin-linolová kyselina pro dodávání antisense oligonukleotidů“. BioMed Research International. 2013: 710502. doi:10.1155/2013/710502. PMC  3683435. PMID  23862153.
  7. ^ A b Shi J, Ma Y, Zhu J, Chen Y, Sun Y, Yao Y, Yang Z, Xie J (listopad 2018). „Recenze na intracelulární dodávku založenou na elektroporaci“. Molekuly. 23 (11): 3044. doi:10,3390 / molekuly23113044. PMC  6278265. PMID  30469344.
  8. ^ Sun J, Wang X, Wu J, Jiang C, Shen J, Cooper MA, Zheng X, Liu Y, Yang Z, Wu D (duben 2018). „Biomimetická nanofabrikace můrových očí: Vylepšená antireflexe s vynikajícími samočisticími vlastnostmi“. Vědecké zprávy. 8 (1): 5438. Bibcode:2018NatSR ... 8.5438S. doi:10.1038 / s41598-018-23771-r. PMC  5883013. PMID  29615712.
  9. ^ Sun J, Kormakov S, Liu Y, Huang Y, Wu D, Yang Z (červenec 2018). „Nedávný pokrok ve fotodynamické terapii zprostředkované nanočásticemi na bázi kovů“. Molekuly. 23 (7): 1704. doi:10,3390 / molekuly 23071704. PMC  6099795. PMID  30002333.
  10. ^ Kurosawa O, Oana H, Matsuoka S, Noma A, Kotera H, Washizu M (2006-12-01). „Elektroporace mikroemikrobizovaným otvorem a její aplikace na měření buněčné odezvy na vnější podněty“. Věda a technika měření. 17 (12): 3127–3133. doi:10.1088 / 0957-0233 / 17/12 / S02.
  11. ^ A b Boukany PE, Morss A, Liao WC, Henslee B, Jung H, Zhang X, Yu B, Wang X, Wu Y, Li L, Gao K, Hu X, Zhao X, Hemminger O, Lu W, Lafyatis GP, Lee LJ (Říjen 2011). „Nanokanálová elektroporace dodává přesné množství biomolekul do živých buněk“. Přírodní nanotechnologie. 6 (11): 747–54. Bibcode:2011NatNa ... 6..747B. doi:10.1038 / nnano.2011.164. PMID  22002097.
  12. ^ A b C Gallego-Perez D, Otero JJ, Czeisler C, Ma J, Ortiz C, Gygli P a kol. (Únor 2016). „Deterministická transfekce pohání účinné nevirové přeprogramování a odhaluje přeprogramovací bariéry“. Nanomedicína. 12 (2): 399–409. doi:10.1016 / j.nano.2015.11.015. PMC  5161095. PMID  26711960.
  13. ^ A b C d E F G h Gallego-Perez D, Pal D, Ghatak S, Malkoc V, Higuita-Castro N, Gnyawali S, Chang L, Liao WC, Shi J, Sinha M, Singh K, Steen E, Sunyecz A, Stewart R, Moore J, Ziebro T, Northcutt RG, Homsy M, Bertani P, Lu W, Roy S, Khanna S, Rink C, Sundaresan VB, Otero JJ, Lee LJ, Sen CK (říjen 2017). „Topická tkáňová nano-transfekce zprostředkovává přeprogramování a záchranu nevirového stromatu“. Přírodní nanotechnologie. 12 (10): 974–979. Bibcode:2017NatNa..12..974G. doi:10.1038 / nnano.2017.134. PMC  5814120. PMID  28785092.
  14. ^ A b Vierbuchen T, Ostermeier A, Pang ZP, Kokubu Y, Südhof TC, Wernig M (únor 2010). „Přímá přeměna fibroblastů na funkční neurony definovanými faktory“. Příroda. 463 (7284): 1035–41. Bibcode:2010Natur.463.1035V. doi:10.1038 / nature08797. PMC  2829121. PMID  20107439.
  15. ^ A b Valadi H, Ekström K, Bossios A, Sjöstrand M, Lee JJ, Lötvall JO (červen 2007). „Exozomem zprostředkovaný přenos mRNA a mikroRNA je nový mechanismus genetické výměny mezi buňkami“. Přírodní buněčná biologie. 9 (6): 654–9. doi:10.1038 / ncb1596. PMID  17486113. S2CID  8599814.
  16. ^ Davis DM, Sowinski S (červen 2008). „Membránové nanotrubice: dynamická spojení mezi živočišnými buňkami na velké vzdálenosti“. Recenze přírody. Molekulární buněčná biologie. 9 (6): 431–6. doi:10.1038 / nrm2399. PMID  18431401. S2CID  8136865.
  17. ^ Rosová I, Dao M, Capoccia B, Link D, Nolta JA (srpen 2008). „Hypoxické předkondicionování vede ke zvýšené motilitě a zlepšenému terapeutickému potenciálu lidských mezenchymálních kmenových buněk“. Kmenové buňky. 26 (8): 2173–82. doi:10.1634 / kmenové články.2007-1104. PMC  3017477. PMID  18511601.
  18. ^ Kinoshita M, Fujita Y, Katayama M, Baba R, Shibakawa M, Yoshikawa K, Katakami N, Furukawa Y, Tsukie T, Nagano T, Kurimoto Y, Yamasaki K, Handa N, Okada Y, Kuronaka K, Nagata Y, Matsubara Y , Fukushima M, Asahara T, Kawamoto A (říjen 2012). „Dlouhodobý klinický výsledek po intramuskulární transplantaci pozitivních buněk faktoru stimulujících kolonie granulocytů CD34 u pacientů s kritickou ischemií končetiny“. Ateroskleróza. 224 (2): 440–5. doi:10.1016 / j.atheroskleróza.2012.07.031. PMID  22877866.
  19. ^ Losordo DW, Dimmeler S (červen 2004). „Terapeutická angiogeneze a vaskulogeneze pro ischemickou chorobu: část II: buněčné terapie“. Oběh. 109 (22): 2692–7. doi:10.1161 / 01.CIR.0000128596.49339.05. PMID  15184293.
  20. ^ Lee AS, Tang C, Rao MS, Weissman IL, Wu JC (srpen 2013). „Tumorigenicita jako klinická překážka pro léčbu pluripotentními kmenovými buňkami“. Přírodní medicína. 19 (8): 998–1004. doi:10,1038 / nm. 3267. PMC  3967018. PMID  23921754.
  21. ^ Cunningham JJ, Ulbright TM, Pera MF, Looijenga LH (září 2012). „Poučení z lidských teratomů jako vodítko pro vývoj bezpečných terapií kmenovými buňkami“. Přírodní biotechnologie. 30 (9): 849–57. doi:10,1038 / nbt.2329. PMID  22965062. S2CID  20383770.
  22. ^ Leduc PR, Wong MS, Ferreira PM, Groff RE, Haslinger K, Koonce MP, et al. (Leden 2007). "Směrem k biologické inspiraci nanofactory in vivo". Přírodní nanotechnologie. 2 (1): 3–7. Bibcode:2007NatNa ... 2 .... 3L. doi:10.1038 / nnano.2006.180. PMID  18654192.
  23. ^ Heinrich C, Spagnoli FM, Berninger B (březen 2015). "Přeprogramování in vivo pro opravu tkáně". Přírodní buněčná biologie. 17 (3): 204–11. doi:10.1038 / ncb3108. PMID  25720960. S2CID  32061267.

externí odkazy

  • Veetil AT, Chakraborty K, Xiao K, Minter MR, Sisodia SS, Krishnan Y (prosinec 2017). „Buněčně zaměřitelné nanokapsle DNA pro časoprostorové uvolňování bioaktivních malých molekul v kleci“. Přírodní nanotechnologie. 12 (12): 1183–1189. Bibcode:2017NatNa..12.1183V. doi:10.1038 / nnano.2017.159. PMID  28825714.
  • Herce HD, Schumacher D, Schneider AF, Ludwig AK, Mann FA, Fillies M, Kasper MA, Reinke S, Krause E, Leonhardt H, Cardoso MC, Hackenberger CP (srpen 2017). "Buněčně propustné nanotěly pro cílenou imunoznačení a manipulaci s antigeny v živých buňkách". Přírodní chemie. 9 (8): 762–771. Bibcode:2017NatCh ... 9..762H. doi:10.1038 / nchem.2811. PMID  28754949.