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  單細(xì)胞納米封裝（Single Cell Nanoencapsulation），即將單個(gè)細(xì)胞包裹在納米尺度的封裝層內(nèi)。相比于傳統(tǒng)的細(xì)胞微膠囊封裝技術(shù)，納米尺度的封裝層能有效提高氧氣、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換效率，防止細(xì)胞缺氧以及細(xì)胞饑餓的發(fā)生，從而有效維持細(xì)胞活性和各項(xiàng)生物學(xué)功能。單細(xì)胞納米封裝技術(shù)在細(xì)胞治療、組織工程以及細(xì)胞生物學(xué)分析領(lǐng)域具有重要作用。然而，采用傳統(tǒng)方法構(gòu)建的單細(xì)胞納米封裝系統(tǒng)，封裝層結(jié)構(gòu)松散，封裝持續(xù)效果短，難以滿足長(zhǎng)期免疫隔離和細(xì)胞保護(hù)的目的。此外，封裝細(xì)胞的“on-site”釋放亦未見(jiàn)報(bào)道。

圖 1. 單細(xì)胞納米封裝系統(tǒng)

  近日，日本國(guó)立物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)（NIMS）陳國(guó)平教授和福州大學(xué)楊建民副教授將傳統(tǒng)層層自組裝法（LbL）與硫醇—馬來(lái)酰亞胺（Thiol-MAL）反應(yīng)相結(jié)合，在單個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞表面構(gòu)建了酶響應(yīng)性的納米封裝層。研究首先將帶有相反電荷的聚乙二醇—馬來(lái)酰亞胺（PEG-MAL）修飾的明膠分子通過(guò)靜電相互作用沉積在細(xì)胞表面，形成明膠高分子膜。隨后，將兩端為半胱氨酸的合成肽鏈引入到明膠高分子膜中，利用半胱氨酸上的Thiol基團(tuán)與明膠上的MAL基團(tuán)反應(yīng)形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的納米封裝層。由于合成的肽鏈能夠被基質(zhì)金屬蛋白酶-7（MMP-7）酶解，因此當(dāng)細(xì)胞封裝系統(tǒng)處于高濃度MMP-7環(huán)境時(shí)，封裝層隨之解離從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的釋放。MMP-7通常在炎癥和腫瘤區(qū)域過(guò)量表達(dá)，因此該單細(xì)胞納米封裝系統(tǒng)有望用于細(xì)胞治療特別是基于細(xì)胞的腫瘤治療。

圖 2. 酶響應(yīng)性單細(xì)胞納米封裝系統(tǒng)

  該方法采用的反應(yīng)條件十分溫和，封裝效率高，構(gòu)建的單HeLa和hMSC細(xì)胞納米封裝系統(tǒng)均表現(xiàn)出較高的細(xì)胞存活率。

圖 3. 單細(xì)胞納米封裝效果表征

  胰蛋白酶攻擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于裸露的細(xì)胞，封裝后的細(xì)胞具有較高的存活率，這主要是由于封裝層自身結(jié)構(gòu)的尺寸排阻效應(yīng)阻擋了胰蛋白酶的滲透，該效應(yīng)有望解決細(xì)胞治療過(guò)程中的免疫排斥反應(yīng)；此外，封裝后的細(xì)胞在高速離心力作用下仍具有較高的存活率，這是因?yàn)榧{米封裝層能夠保護(hù)細(xì)胞膜的完整性同時(shí)防止細(xì)胞溶質(zhì)分子的外漏，該效應(yīng)可以避免細(xì)胞在注射以及血管內(nèi)流通過(guò)程中受到剪切力而造成的低細(xì)胞存活率。

圖 4. 納米封裝層的細(xì)胞保護(hù)能力測(cè)試

  對(duì)封裝后的細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，HeLa和hMSC細(xì)胞表面的納米封裝層分別在4天和8天的時(shí)候都能保持完整，且封裝細(xì)胞始終處于未增殖狀態(tài)。此外，封裝細(xì)胞在接觸高濃度的MMP-7酶溶液時(shí)能夠緩慢釋放，且釋放后的細(xì)胞活性、增殖能力以及hMSC細(xì)胞的干細(xì)胞功能未收到封裝和酶解過(guò)程的影響。

圖 5. 納米封裝持續(xù)時(shí)間和酶響應(yīng)釋放

  該項(xiàng)成果以“Encapsulation of individual living cells with enzyme responsive polymer nanoshell”為題在線發(fā)表在生物材料領(lǐng)域一流期刊Biomaterials上，第一作者為楊建民副教授，通訊作者為陳國(guó)平教授。該研究工作得到了日本JSPS（No. 18K19947和No. 18K19945），中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（31800796）以及福州大學(xué)“旗山學(xué)者（海外項(xiàng)目）”（GXRC-17049）的資助。

  在此之前，兩位作者分別采用原位聚合反應(yīng)，層層自組裝法結(jié)合點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，在單細(xì)胞表面構(gòu)建了納米尺度的高分子膜，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在J Mater Chem B和Biomaterials期刊上。該系列研究成果豐富了單個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的納米封裝方法，在細(xì)胞治療、細(xì)胞傳輸、細(xì)胞傳感器以及單細(xì)胞水平生物學(xué)分析等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014296121930050X

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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.