柔性可穿戴生物醫學芯片目前主要可應用於：1）皮膚或器官生理信號傳感器；2）透皮給藥、在體基因轉染（圖1）。近年來，微納米技術的發展，使可穿戴傳感器在單細胞精度上進行長時間、實時生理參數的檢測。另一方面，基於微納米結構的在體透皮遞送系統可以實現精確分子遞送，包括小分子（如葡萄糖等）和大分子（如蛋白，質粒等）。最新報道的一些納米轉染芯片可以有效地表貼於皮膚上，並在單細胞精度上進行基因轉染。與常規方法相比，納米芯片的轉染效率、安全性和劑量可控性都具有顯著優勢。
圖1. 可佩戴單細胞傳感器和單細胞基因轉染芯片
近日，來自北京航空航天大學常凌乾教授（第一作者）、樊瑜波教授（通訊作者），休斯敦大學餘存江教授（通訊作者），內布拉斯加大學楊瑞國教授（通訊作者），北德克薩斯大學醫學院Yu-Chieh Wang教授聯合在Trends in Biotechnology上發表綜述論文，評論和展望了單細胞傳感和基因轉染佩戴式生物芯片的研究。
第一部分總結了單細胞檢測的佩戴式傳感芯片。理論上講，傳感器敏感區域尺寸決定了是否可以檢測單細胞。設計細胞尺寸（10~100µm）的敏感區域，嚴格控制敏感膜與細胞之間的距離，即目標分子（如細胞激素、多肽、神經遞質等）的傳遞距離，可有效提高傳感器的信噪比（S/N）。除此之外，傳感器材料也是構建單細胞傳感器的重要條件：基底材料直接決定了傳感器與皮膚或器官的接觸性；生物敏感膜材料決定了傳感器的靈敏度、準確度和長時間工作可靠性。綜述總結了最新報道的具有單細胞精度傳感器的原理、器件性能和功能、檢測細胞種類和信號類別等（圖2）。
圖2 有望具備單細胞精度的可穿戴傳感器。（a）可從皮膚細胞檢測到的代表性信號。（b）rGO/FeTCPs FET傳感器用於單細胞精度NO檢測；（c）基於CNT/PDMS的ECG電極；（d）基於微流控的單細胞檢測芯片。
第二部分聚焦於在體透皮藥物遞送和基因轉染芯片系統。常規的透皮系統僅可用於遞送易被表皮細胞、真皮細胞吸收的小分子物質，如葡萄糖、胰島素等。大分子質粒、核酸等，由於很難直接進入細胞內，常規遞送系統往往導致很低的效率。最新微納米生物芯片可以單細胞精度上直接進行在體大分子遞送或基因轉染。綜述總結了兩種基於物理方法的可表貼佩戴式的細胞基因轉染系統，即納米電穿孔基因轉染技術和納米針尖系統，並討論了各自的優缺點和應用範圍（圖3）。
圖3 單細胞精度的在體基因轉染芯片。（a）一種可以直接貼皮的聚合物柔性微針陣列可用於在體電穿孔；（b）可降解納米硅針陣列用於在體核酸遞送；（c）硅基納米通道電穿孔技術用於在體細胞重編程。
最後，對該領域研究進行展望，提出5個關鍵問題，包括，如何設計敏感膜以實現單細胞精度；如何確保在佩戴和檢測過程中皮膚和敏感膜的有效接觸；如何微型化遞送系統以實現單細胞基因轉染；如果在深層皮膚內達到具有治療效果的遞送和轉染；如何整合芯片系統實現多種功能等。
原文鏈接：
https://www.cell.com/trends/biotechnology/fulltext/S0167-7799(19)30077-0
L. Chang, Y. Wang, F. Ershad, R. Yang, C. Yu, Y. Fan, WearableDevices for Single Cell Sensing and Transfection. Trendsin Biotechnology, 2019, DOI:10.1016/j.tibtech.2019.04.001
常凌乾課題組簡介：
常凌乾博士，現為北京航空航天大學生物與醫學工程學院教授，醫工交叉高精尖中心單細胞分析納米技術研究所（INSCA）執行副所長。曾擔任美國北德克薩斯大學（Universityof North Texas）生物醫學工程系助理教授（Tenure Track），入選2017年中組部‘青年千人計劃’。課題組研究聚焦於單細胞基因轉染技術、細胞微操縱技術、細胞基因檢測、治療等技術的研究。近五年在國際知名期刊發表SCI論文50篇，如
Nature Nanotechnology,Nano Letters,Small等。BioArt，一心關注生命科學，只為分享更多有種、有趣、有料的信息。關注請長按上方二維碼。投稿、合作、轉載授權事宜請聯繫微信ID：bioartbusiness或郵箱：[email protected]。原創內容，未經授權，禁止轉載到其它平臺。
閱讀更多 BioArt 的文章
