新纳米芯片技术可让器官再生,纳米技术芯片或

来源:http://www.020tL.com 作者:科技资讯 人气:60 发布时间:2019-10-03
摘要:最新一期《自然·纳米技术》报道了再生医学的重大突破,美国俄亥俄州立大学研究人员开发出一种组织纳米转染新技术,首次实现活体内细胞重组,有望在身体内生成任何用于治疗目

最新一期《自然·纳米技术》报道了再生医学的重大突破,美国俄亥俄州立大学研究人员开发出一种组织纳米转染新技术,首次实现活体内细胞重组,有望在身体内生成任何用于治疗目的的细胞类型,帮助修复受损组织或恢复老化的器官、血管及神经细胞等组织。

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核心提示:科学家们盛赞一项“突破性”技术:只需一块硬币大小的芯片板,就能实现受损器官的再生和严重创伤的修复。

这枚硬币大小的芯片将细胞从一种类型转换为另一种类型,并带有一个小的电脉冲——创造一种无创、即时的方式来修复受伤的组织。

云顶集团网站,俄亥俄州立大学再生医学和细胞疗法中心主任钱丹·塞恩博士表示,通过这种新型纳米芯片技术,受伤或受损的器官都可实现再生。研究证明,皮肤是一片沃土,在那里任何正在老化的器官都能得以重生。

图片来源:俄亥俄州立大学再生医学和细胞疗法中心

参考消息网8月11日报道 英媒称,科学家们盛赞一项“突破性”技术:只需一块硬币大小的芯片板,就能实现受损器官的再生和严重创伤的修复。

再生医学领域的科学家们正在寻找将人类细胞从一种转化为另一种的新方法。通过激活细胞DNA中的不同基因,医生可以改变或增强细胞的功能,使之更有效地治疗病人的损伤或疾病。

与以往的再生技术不同的是,TNT技术是一种在单细胞水平上良性的、瞬时的和剂量可控的重组因子(预编程的DNA或RNA)交付方法,其可通过一个使用纳米技术的器件对细胞进行重新编程。其工作方式为:首先对皮肤表面进行光电刺激,然后将一个硬币大小的芯片放在皮肤上。在不到一秒的时间内,芯片会将重组因子通过高强度的聚焦电场以非侵入方式交付到成活皮肤细胞中,最终将皮肤细胞转化成任何想要的细胞类型。

8月7日,《Nature Nanotechnology》期刊在线发表一篇文章,揭示了一种非侵入性重编程皮肤细胞的新技术。来自于俄亥俄州立大学再生医学和细胞疗法中心的研究团队开发出一个可移植、拇指指甲大小的硅芯片,能够在一秒钟的接触内启动皮肤细胞的重编程,将其转变成体内所需的任何一种其他类型的细胞。

据英国《每日电讯报》网站8月7日报道,这个新装置使用纳米芯片为皮肤细胞“重新编程”,然后生成治疗所需的任何类型的细胞。

目前的基因疗法为治疗诸如白血病等疾病提供了有针对性的方法;然而,这些往往是需要开刀的手术,常伴随着重大的风险和副作用。

对小鼠和猪开展的实验表明,研究人员能够重新编程皮肤细胞,使其成为缺乏血液流动的伤腿中的血管细胞。在一周之内,活跃的血管开始出现在伤腿中,三周后伤势开始好转。实验室测试也显示,利用该技术将活体的皮肤细胞重新编程为神经细胞,注射入脑损伤小鼠,可助其从中风中康复。

这一非侵入性技术被称为“组织转染”(tissue nanotransfection,TNT),可以在病人体内生成任何一种所需的细胞,用于组织修复。

报道称,这个非侵入性的过程耗时不到1秒,而且经测试能在数日内恢复严重受损血管的功能。

由俄亥俄州立大学的研究人员开发出的一种纳米技术解决方案提供了一种非侵入性的替代品,其形式是一种位于皮肤表面的芯片。这是迄今为止最快的“重新编程”方法,能够在几分之一秒内直接将基因代码编码到细胞中。

研究人员表示,TNT技术的突破在于首次实现了细胞在活体内的重组,不像引入病毒等细胞疗法那样具有高风险,而且患者不用去实验室或医院,在任何地方就可进行现场操作。

TNT是一种纳米级电穿孔技术,能够在细胞外膜中产生临时通道,将新的细胞重编程因子直接植入表皮皮肤细胞。

被称作组织纳米转染的这项技术,是通过覆盖在受损区域上的一小块纳米芯片板来工作的。然后,一小股电流向皮肤细胞发射DNA,将其变成身体其他部位特定的构件细胞。

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TNT有两个关键的组成部分:1)基于纳米技术的芯片,用于装载、运输“货物”至活体细胞;2)负责细胞重编程的“货物”,可以将成体细胞转变成其他类型的细胞。

报道称,对于需要接受复杂修复手术的病人和器官过早老化的患者来说,这项技术有望改变他们的命运。

这项创新将基因编码或有靶向的、改变细胞的蛋白质——加载到一个指甲大小的芯片上,然后植入患者的皮肤。一旦芯片被一种小电流激活,它就会立即开始对表皮下的细胞进行重新编程,将皮肤细胞转化成其他有用的细胞,用于治疗或挽救生命。

当装载有必要重编程因子的芯片被放置于皮肤上后,通过连接一个微弱的电脉冲,在细胞膜形成微小通道,从而促使重编程基因进入皮肤细胞。

发明这项技术的美国研究人员称,这项技术甚至可以用作对抗阿尔茨海默症和帕金森症等疾病的武器。他们认为,未来有可能重新编程手臂等人体外围部位的皮肤细胞来获得脑细胞,然后可将这些细胞注入大脑。

在小白鼠试验中,纳米技术芯片首先编码了将皮肤细胞转化为血管细胞所必需的DNA、RNA或血浆分子。将其放在老鼠的皮肤上,就像邮票一样,研究人员用电脉冲在芯片上触发它的“生物货物”来影响下面的组织。这一过程打开了细胞膜上的微小气孔,由此细胞的基因可以进入细胞。

“因为电流幅度很小,这种方法能够以最小的侵入性实现转染。” 文章通讯作者、化学和生物分子工程学教授L. James Lee表示道。

报道称,美国俄亥俄州立大学的这个研究小组在猪和老鼠身上测试了TNT技术并取得了成功,据报道成功率为98%。

测试中的小白鼠腿部血液循环严重受损。术后一周内,小白鼠重新长出了新的血管;第二周,血液循环恢复,受伤的肢体得以保存;不到三周,老鼠就被治愈了。

TNT技术不需要借助实验室设备或者处理,能够快速应用于救治现场。整个过程仅仅通过粘贴皮肤表面的芯片完成,且时间不到一秒。

在一项试验中,在芯片板为皮肤细胞重新编程生成血管细胞不到一周后,老鼠严重受伤的腿部的血流恢复了正常。两周后,腿部充分愈合。

在这项技术4年多的研究时间中,研究人员还在猪身上进行了成功的血流恢复实验。

“你所需要的只是装载有重编程因子的芯片,以及一个电源。” 俄亥俄州立大学Wexner医疗中心再生医学和细胞疗法主任、综合创伤中心的执行主任Chandan Sen解释道,“我们可以使用这一技术将皮肤细胞转换成任何一种细胞,用于治疗局部组织、器官的损伤和疾病。”

报道称,研究人员计划明年启动人体临床试验。

人体试验尚未开始,但这项研究是急诊医学的重大突破。由于“组织纳米转染”的治疗可以立即开始工作,并且可以在没有实验室或医院的情况下进行,它可以在战场上,车祸后,或者任何关键情况下挽救生命。

3皮肤作为一个“生产车间”

领导这项研究的坚登·森博士说:“有了这项技术,我们只需轻触一下芯片板,就能把皮肤细胞转变成任何器官的元件。这个过程只需不到1秒,而且是非侵入性的,然后你就可以走了。芯片不用留在体内,给细胞重新编程的过程就开始了。”

许多研究人员在这方面取得了进展:例如,美国食品药品管理局最近批准了一种白血病疗法,该疗法使用病人的已经产生基因变化的免疫细胞来对抗疾病。

研究人员认为,依赖这一创新技术,患者的皮肤可以作为一个“生产车间”,用于产生和提供再生治疗所需的细胞。例如,我们可以在3-4周的时间内在小鼠的皮肤上产生了成千上万的神经元,最终将它们采集、移植到小鼠大脑内。

不同于干细胞疗法,TNT在使用前无需进行实验室操作,这意味着可以在全科医生诊所等日常医疗环境下使用这项技术。

但现有的基因疗法具有高度的个性化,而进行基因治疗的技术包括侵入细胞采集程序和基于实验室对细胞的操控。例如,在白血病治疗中,医生提取干细胞并将其放置在培养皿中,在细胞外部注入基因,然后将这些经过改造的细胞重新注入患者体内。

目前,他们已经在小鼠、猪身上得到验证,TNT技术能够让皮肤细胞重编程生成完整的血管,且新生产的血管可以与已有的血管组织融合,用于修复坏死的皮瓣、挽救严重受损的缺血性腿伤。

由于新细胞是在患者自身免疫系统引导下生成的,因此无需使用移植时可能需要的免疫抑制剂。

其他的基因疗法也以类似的方式利用病毒载体。病毒载体是被剥离出致病基因的病毒,并在实验室中进行基因改造,将优良基因植入细胞中。

在试验中,TNT技术能够在短短几周内将小鼠的皮肤细胞转变成功能正常的神经元,这些神经细胞可以从皮肤表层摘除并移植到动物大脑内,以逆转中风的损伤。

报道称,这项技术既需要把遗传物质传递给人体成年细胞的以纳米技术为基础的芯片,又需要决定如何给细胞重新编程时必不可少的特定生物信息。

干细胞和病毒载体的方法都伴随着发烧或炎症等副作用,并有可能导致有害的基因突变。

他们认为,这一技术的潜在应用价值巨大。可以治疗皮肤损伤、生成神经元,还可以将皮肤细胞转变成能够感应血液中葡萄糖水平并分泌胰岛素的胰岛素B细胞。

森博士说:“利用我们这项新纳米芯片技术,受伤和受损器官都可以被修复。我们已经证明,皮肤是一处肥沃的土地,我们能在皮肤上种植任何衰退细胞的元件。”

因为TNT程序使用的是一种硅基芯片,就像一个小型注射器一样,它绕过了在实验室外部操纵细胞的需要,允许在自己免疫系统的指导下,在体内进行这段过程。

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这意味着,如果这种疗法被批准用于人类,患者就不需要使用免疫抑制药物来确保基因疗法的有效性,因为他们目前必须解决白血病和其他疗法。

Chandan Sen教授展示这一有望革新医学诊疗的芯片,它能够将皮肤细胞转化为血管细胞,用于治疗小白鼠的严重伤口。

与现有的基因疗法相比,TNT更快、更简单也更有效。在这项研究中,第一作者Daniel Gallego-Perez发现TNT技术的工作效率高达98%。

4转染率高达98%,临床试验有望在一年内开展

虽然这还远远不能证明它的风险,但芯片的小尺寸,以及它由单一电脉冲就可以激活,意味着它比基于实验室的基因疗法更容易获得,更具有成本效益。

作为一种非病毒式的基因传递技术,电穿孔疗法并不新鲜,但是大规模电穿孔技术的成功率却有限。“这是因为大规模电穿孔会让整个细胞膜具有渗透性,并对细胞骨架产生影响,削弱细胞的可塑性。相反,TNT仅仅打开微小的通道,只影响2%的细胞膜区域,从而不会抑制细胞的可塑性。使用TNT,我们实现了超98%的转染效率和细胞转变成功率。”

除了血管细胞实验外,俄亥俄州立大学的研究人员还利用该芯片在中过风的老鼠皮肤上生长和收获脑细胞。然后,他们能够将新的神经细胞植入老鼠的大脑,使它们在几周内恢复,并带领研究人员看到他们的技术在治疗阿尔茨海默症和其他神经系统疾病方面的潜在应用能力。

这一最新研究表明,TNT不仅可以用于局部传递重编程因子,它还可以将重编程效果传播至更深层的皮肤组织细胞。因为被转染的表面细胞会释放一些化合物,这些生物分子会进一步转染其他细胞。

尽管这项研究主要集中于将皮肤细胞转化为其他类型的细胞,但研究人员说,TNT对任何类型的组织都适用,这也就意味着它可以用来快速修复各种器官、血管和神经。

研究团队预期,在FDA批准的前提下,TNT技术的临床试验有望在一年之内开展,用于治疗缺血性肢体疾病。研究团队还与Walter Reed陆军医学中心合作,尝试利用TNT技术抢救肢体、周围神经受损的可行性。

俄亥俄州立大学的研究小组继续完善了TNT技术和相关的程序,目前也没有发现人体试验TNT技术的障碍。他们希望明年可以开始临床试验。

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