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 )。
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圖一:多孔矽製奈米柱陣列誘導細胞膜產生褶皺。 ( a ) SICM 立體影像分析 nanoneedle interfacing ( nN ), FSW( flat silicon wafers ) Rrms:roughness, Ra:apical ( b ) C = 細胞質 ( cytosol ), V = 囊胞 ( vesicle ), N = 細胞核 ( nucleus ), M = 細胞膜 ( membrane )。圖片來源:https://doi.org/10.1002/adma.201806788
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 )。
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圖二:多孔矽製奈米柱陣列誘導胞飲以及胞吞作用。 ( a ) FIB-SEM image 影像分析 ( b ) 3D 立體影像重建 ( c ) 囊胞定量分析 ( d ) Transferrin, CTxB 為透過胞吞作用運送的蛋白;Dex 10, 40, 70 kDa為透過胞飲作用運送的蛋白。圖片來源:https://doi.org/10.1002/adma.201806788
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圖三:多孔矽製奈米柱陣列透過胞吞路徑將siRNA運送至細胞內。圖片來源:https://doi.org/10.1002/adma.201806788
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:
- 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
- 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
- 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