激光诱导细胞内递送原理及方法概述

发布时间：2020-12-18 00:17

　　细胞内递送是细胞工程和细胞治疗中的关键步骤。激光诱导细胞内递送比传统的显微注射、细胞融合、电穿孔具有高精度、高通量、非入侵式等优点,近年来受到越来越多的关注。激光诱导细胞膜产生瞬时微孔,增加细胞膜的通透性,使货物透过细胞膜进入细胞内。主要介绍了激光利用热效应、化学效应和流体剪切力破坏细胞膜的原理,其实施方法分为激光直接作用,激光作用于纳米粒子、基底材料或光热刀去破坏细胞膜。评价了每种方法的优缺点并对激光诱导细胞内递送的前景进行了展望。 

【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020年13期 北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

激光诱导细胞膜破裂。（a）热效应；（b）电穿孔；（c）流体剪切力

激光诱导空泡多使用飞秒至纳秒脉冲激光器[38]。飞秒脉冲激光器诱导产生的空泡的直径最大可达50μm，皮秒和纳秒脉冲激光器由于照射时间更长，可以产生更大的空泡[39-40]。Rau等[41]使用纳秒脉冲激光器[其能量与击穿阈值（250J/cm2）的比值为0.7～3，脉宽tp=6ns，波长λ=532nm]进行实验，发现诱导的空泡直径范围为200～400μm，大于飞秒脉冲激光器所诱导气泡的10倍，并且单个微泡收缩、破灭不会产生定向剪切力。为了解决这个问题，Sankin等[42]使用脉冲时间为5ns、波长分别为1064nm和532nm的两个Nd∶YAG激光器产生两个串联微泡（图3）。两个微泡产生的时间相差4μs，其反向和耦合振荡导致在反方向出现定向微射流，从而定点破坏细胞膜。2.3 激光作用于纳米粒子、基底或光热刀致膜破裂

激光照射金纳米粒子（以下简称AuNPs）可以在纳米尺度上产生局部加热、等离子体和瞬态纳米气泡等一系列现象，从而破坏细胞膜[43]，如图4所示。这种方式与激光直接作用于细胞实现细胞增透相比可以最大程度地减少过多的附带加热，防止细胞活力受损。激光通过AuNPs破坏细胞膜所需要的能量密度远低于激光直接破坏细胞膜所需的能量密度。采用低能量密度激光能同时覆盖10～100个细胞，实现高通量细胞内递送[44]。传统的激光照射AuNPs实现细胞内递送多基于离散细胞，缺少实现软组织内细胞内递送的方法。Doppenberg等[45]制作了插入软组织并能重复使用的针状玻璃光流体探针系统。该探头锥体长为3～5mm，锥尖直径为30～100μm，内有两个通道，可同时进行激光和液体传输，如图5所示。该系统的工作原理是探针插入软组织中，蠕动泵连接探针将货物和AuNPs一同泵入软组织内，同时利用脉冲激光（tp=6ns，λ=532nm）激活AuNPs致细胞膜破裂，货物得以进入细胞。该方法对软组织内的细胞进行激光诱导，从而实现细胞内递送，并且不需要将细胞和纳米材料一起孵育，还具有低成本和便携等优点。


本文编号：2922975