基質剛性對聲孔效應單細胞轉染的影響

摘要：
本文深入探討了基質剛性對聲孔效應介導的單細胞基因轉染的影響。實驗采用不同硬度的凝膠基質培養力學敏感細胞NIH 3T3，并通過高聲壓短脈沖超聲進行質粒DNA轉染。結果表明，硬的凝膠基質上培養的細胞轉染效率顯著高于軟的凝膠基質，為基因治療及藥物導入提供了新視角。

一、引言

聲孔效應是指利用超聲波和靶向微泡結合，在細胞膜上瞬時產生小孔，從而實現大分子物質如DNA、藥物的導入。這種非病毒式、非侵入性的方法在藥物導入及基因治療方面展現出巨大的應用潛能。然而，體外細胞培養環境與體內環境差異巨大，導致體外研究成果難以直接應用到臨床治療。

近年來，越來越多的證據表明細胞生長環境的物理特性對細胞形貌以及功能具有顯著影響。細胞外基質剛性是調控細胞遷移、增殖甚至分化的關鍵因素。因此，基質剛性的差異可能會引起細胞對超聲激勵（即聲孔效應）的動態響應過程及導入效果的差異。本研究旨在探究細胞外基質剛性對聲孔效應介導的單細胞基因轉染的影響及規律。

二、構建遺傳轉化體系的意義

構建穩定的遺傳轉化體系對于基因治療及藥物導入至關重要。傳統的基因轉染方法如病毒載體存在安全風險，且轉染效率受多種因素影響。聲孔效應作為一種新興的非病毒式轉染方法，具有操作簡便、安全性高、轉染效率可控等優點。然而，聲孔效應的效果受細胞外基質剛性等物理特性的影響，因此，構建適用于不同基質剛性的遺傳轉化體系具有重要意義。

三、實驗材料與方法

3.1 實驗材料

• 細胞：力學敏感細胞NIH 3T3。

• 凝膠基質：采用不同硬度的凝膠基質，包括軟的凝膠基質（0.2 kPa）和硬的凝膠基質（40 kPa）。

• 試劑：3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APES）、二氯二甲基硅烷（DCDMS）、戊二醛溶液、丙烯酰胺原液、雙丙烯酰胺溶液、四甲基乙二胺（TEMED）、過硫酸銨（APS）以及交聯劑sulfo-SANPAH等。

• 質粒DNA：采用Cy3進行熒光標記。

• 超聲設備：聲壓為0.45 MPa的單脈沖串超聲，持續時間為10 μs。

3.2 實驗方法

1. 凝膠基質制備：采用不同試劑制備不同硬度的凝膠基質。

2. 細胞培養：將NIH 3T3細胞分別培養在軟的凝膠基質和硬的凝膠基質上。

3. 質粒DNA轉染：采用高聲壓短脈沖超聲對培養在不同硬度凝膠基質上的細胞進行質粒DNA轉染。

4. 熒光示蹤：采用共聚焦顯微鏡三維掃描熒光成像，觀察質粒DNA在細胞內的分布。

5. 細胞骨架蛋白染色：采用FITC標記的鬼筆環肽對細胞骨架蛋白進行染色，觀察細胞骨架蛋白的分布。

6. 數據分析：采用Origin 8.5軟件進行統計學分析，計量數據采用平均值±均方根表示。

四、實驗結果

實驗結果表明，培養在硬的凝膠基質上的細胞，質粒DNA轉染效率明顯高于培養在軟的凝膠基質上的細胞。進一步對質粒DNA進行熒光示蹤可知，培養在不同剛性基質上的細胞導入質粒DNA的方式不同。當細胞被培養在硬的凝膠基質上時，通過聲致穿孔產生的小孔進入細胞內的質粒DNA更多，而培養在軟的凝膠基質上的細胞，更多的質粒DNA可以通過非聲致穿孔作用。

細胞骨架蛋白分布規律表明，硬的凝膠基質上培養的細胞內有更多的F肌動蛋白微絲，可以更好地支撐起細胞的鋪展形態，相對不容易發生內吞作用。而軟的凝膠基質上培養的細胞內F肌動蛋白則更多以球形狀態存在，細胞形貌偏向圓形，此時更容易發生胞吞作用。

五、外植體關鍵因素討論

5.1 基質剛性

基質剛性是影響細胞形態和功能的關鍵因素之一。本研究發現，硬的凝膠基質上培養的細胞質粒DNA轉染效率顯著高于軟的凝膠基質。這可能是由于硬的凝膠基質上培養的細胞內有更多的F肌動蛋白微絲，能夠更好地支撐起細胞的鋪展形態，從而減少了內吞作用的發生，使得更多的質粒DNA通過聲致穿孔進入細胞。

5.2 細胞骨架蛋白

細胞骨架蛋白在維持細胞形態和功能方面起著重要作用。本研究發現，硬的凝膠基質上培養的細胞內F肌動蛋白微絲更多，而軟的凝膠基質上培養的細胞內F肌動蛋白則更多以球形狀態存在。這種差異可能是導致不同基質剛性上細胞質粒DNA轉染效率不同的重要原因之一。

六、遺傳轉化策略

6.1 聲孔效應優化

為了提高聲孔效應介導的單細胞基因轉染效率，可以通過優化超聲參數和靶向微泡的制備來實現。例如，調整超聲的聲壓、頻率和脈沖持續時間等參數，以及選擇合適的靶向微泡類型和濃度，可以進一步提高質粒DNA的轉染效率。

6.2 基質剛性調控

通過調控細胞外基質的剛性，可以實現對細胞形態和功能的調控，從而進一步提高聲孔效應介導的單細胞基因轉染效率。例如，可以采用生物材料制備具有不同剛性的細胞培養基質，以適應不同細胞的生長需求。

七、研究的創新與應用前景

7.1 研究創新

本研究通過實驗手段揭示了基質剛性對聲孔效應介導的單細胞基因轉染的影響及規律。通過構建不同硬度的凝膠基質，并采用高聲壓短脈沖超聲進行質粒DNA轉染，成功觀察到了不同基質剛性上細胞質粒DNA轉染效率的差異。這一發現為基因治療及藥物導入提供了新的視角和方法。

7.2 應用前景

本研究的結果在基因治療、藥物導入及細胞工程等領域具有廣泛的應用前景。例如，在基因治療方面，可以通過調控細胞外基質的剛性來提高目標細胞的轉染效率，從而實現更有效的基因治療。在藥物導入方面，可以利用聲孔效應將藥物直接導入目標細胞，提高藥物的療效和安全性。在細胞工程方面，可以通過調控細胞外基質的剛性來優化細胞的培養條件，促進細胞的生長和分化。

八、結論

本研究深入探討了基質剛性對聲孔效應介導的單細胞基因轉染的影響。實驗結果表明，硬的凝膠基質上培養的細胞質粒DNA轉染效率顯著高于軟的凝膠基質。進一步的研究發現，這種差異與細胞骨架蛋白的分布有關。本研究的結果為基因治療及藥物導入提供了新的視角和方法，具有重要的理論意義和實際應用價值。

未來的研究可以進一步探索不同基質剛性對細胞形態和功能的影響機制，以及優化聲孔效應介導的單細胞基因轉染策略。同時，也可以將本研究的結果應用于其他類型的細胞和組織，以拓展其應用范圍。通過不斷的研究和探索，相信聲孔效應介導的單細胞基因轉染將在生物醫學領域發揮越來越重要的作用。