麻雀雖小，五臟俱全­­–奈米柱陣列誘導胞吞作用來運送物質

近期由於疫情嚴峻，全台捐血狀況也連帶受到影響。在血庫缺血的狀況下，醫療機構推出一系列的福利以及口號來吸引民眾捐血，但往往想到偌大針頭刺破皮膚的畫面，常常會讓許多有心想做善事的朋友卻步。而在 2000 年開始奈米科技開始受到重視，晶圓奈米製程、奈米防水防污的特性也開始應用到生活當中。連針頭也能縮小到奈米大小，醫療用途也跳脫以往的想像，我們稱它為奈米柱陣列（ nanoneedle ）。先前研究指出奈米柱陣列應用於細胞內物質、藥物運送以及電流、生物化學分子的偵測，用途十分廣泛 [1][2]。然而，因影像技術的局限，奈米柱陣列是如何運送物質，目前尚未有定論。

有兩種理論被各自的擁護者支持，其中一派的說法是奈米柱陣列透過穿透細胞膜來達到運輸作用，而另一派說法是奈米針使細胞型態改變，進而促進細胞產生胞吞（ endocytosis ）以及胞飲作用（ macropinocytosis ） 來運輸物質 [3]。有一群來自英國倫敦的團隊，結合先進的掃描離子導電顯微鏡 SICM （ scanning ion conductance microscopy ）觀測多孔矽製奈米柱陣列（ Porous Silicon nanoneedles ）處理過的人類間質幹細胞（ hMSC ），發現以奈米柱陣列處理的細胞相較於控制組細胞膜會有起皺（ ruffling ）的現象（圖一 a ）。再更進一步放大影像，可以觀察到和奈米柱陣列接觸的細胞膜是完整的，並不會去穿透細胞（圖一 b ）。

於是團隊很好奇，奈米柱陣列在不穿透細胞的情況下怎麼去運送物質呢？先前的研究提到奈米柱陣列會誘導細胞產生胞吞作用（ endocytosis ）進而達到運輸物質的目的。研究團隊在顯微鏡下，確實觀察到奈米柱陣列周圍有胞吞作用特有的結構型態──被覆小窪（ Clathrin pit ，又譯被膜小窩）以及胞膜窖（ Caveolae ） ，代表大量囊胞的產生（圖二 abc ）。以流式細胞儀分析後發現，處理奈米柱陣列的組別，胞吞以及胞飲作用都有上升的情況（圖二 d ）。

團隊認為大量囊胞也許是增加物質運輸的路徑，於是利用顯微注射的方式把帶有螢光的短小干擾 RNA （ nondegraded Cy3-labeled GAPDH siRNA ）送入細胞中，結果顯示以奈米柱陣列處理的組別， siRNA 送入情形顯著高於控制組（圖三 a ）。再利用免疫螢光染色以 EEA1 以及 Lamp1 代表胞吞作用的早期以及晚期， CLC 、 Cav-1 為胞吞作用特有的蛋白，發現 siRNA 確實是以胞吞作用運送到細胞內（圖三 bcde ）。

本篇研究揭開了奈米針如何將物質運輸到細胞內，提供未來操作細胞實驗的一個新穎想法，也顯示此項技術對於增強細胞轉染（ transfection ）和藥物輸送的應用價值，未來值得去研究以及開發。

參考文獻：

1.     Gopal, S., Chiappini, C., Penders, J., Leonardo, V., Seong, H., Rothery, S., … & Stevens, M. M. (2019). Porous silicon nanoneedles modulate endocytosis to deliver biological payloads. Advanced Materials, 31(12), 1806788. DOI: 10.1002/adma.201806788

2.     He, G., Hu, N., Xu, A. M., Li, X., Zhao, Y., & Xie, X. (2020). Nanoneedle platforms: the many ways to pierce the cell membrane. Advanced Functional Materials, 30(21), 1909890. DOI: 10.1002/adfm.201909890

3.     Yum, K., Wang, N., & Yu, M. F. (2010). Nanoneedle: A multifunctional tool for biological studies in living cells. Nanoscale, 2(3), 363-372. DOI: 10.1039/B9NR00231F

撰文｜章禮君
審稿｜周文鴻