利用微针递送药物分子的合理设计

喷雾是植物营养输送的方式之一，可以用来输送微量营养素、杀虫剂、植物生长调节剂（PGRs）和刺激剂等。尽管这些活性物质可以通过喷雾方法递送，但其可能会造成农药的大量损失，且远程植物组织可获取的量有限，因此迫切需要新的递送工具来研究植物和设计新的作物性状。近日，来自麻省理工学院Benedetto Marelli联合新加坡国立大学Daisuke Urano团队共同提出了利用微针体系作为农药递送新载体的概念。由于丝质材料具有无毒、与汁液接触可溶解、可食性（它是公认的安全（GRAS）食品涂层材料）和机械坚固性的优点，研究人员构建了丝质微针使其作为植物科学中的一种新工具，能够将生理相关分子以最小的侵入性精确地部署到植物上。相关研究成果以“Drug Delivery in Plants Using Silk Microneedles”为题于近期发表在Adv. Mater.期刊上。

利用微针递送药物分子的合理设计

GA₃是赤霉素家族中具有生物活性的成员，也是农业上最常用的PGR之一。虽然GA₃对营养生长有普遍的促进作用，但它在向发育生长过渡的过程中的作用是复杂的，而且是植物特有的。为了更好地评估微针传递的GA₃的生理功能和研究注射对信号通路的影响，研究人员选择了拟南芥作为模式植物。因GA₃在局部和系统中发挥作用，为了有效地传递GA₃，研究人员使用了之前报告的策略（图1），通过在莲座叶的叶柄上注射靶向ft-10。

GA₃通过叶柄的近轴角质层屏障在植物组织中的部署是微针传递小分子的基本功能，微针也可能到达维管系统的附近，从而进一步促进GA₃在植物体内的转运。锥形丝绸材料微针如图1c所示，微针用于GA₃的输送，因为它操作容易，负载能力相对较高，在叶柄上的粘附性很高，对植物的损害很小，并且货物分子部署在靠近维管系统的角质层后面。

图1 微针递送药物的设计

微针对ft-10细胞的损伤反应

此外，微针尺寸虽小但确实会对角质层造成损害。研究人员同样也观察到了疤痕，注射后ft-10的叶柄上形成了愈伤组织（图2a）。为了深入了解GA₃和模拟（即不注射GA₃）微针注射后植物-生物材料相互作用的转录动力学，研究人员进行了时程RNA测序实验（0h、3h、24h和168h）。转录分析在所有处理和时间点上总共产生了9033个差异表达基因（Deg）（图2b）。研究人员发现共有240个基因被注释，其中103个基因在我们的转录组中的任一时间点都是DEGS，这些基因的表达（图2c）显示创伤相关基因的丰富程度随时间的延长而减少（p<0.05）。一系列结果均表明使用微针将GA₃等物质输送到植物体内是一种微创和高效的技术。

图2 微针对ft-10细胞的损伤反应

蚕丝微针注射GA₃诱导的GA₃反应

为了进一步评估基于微针向ft-10传递GA₃的情况，研究人员调查了微针转录组（图3b）与先前发表的两个RNA测序数据集的相似性，结果表明在微针数据集中诱导了GA₃反应。转录组比较显示，在微针转录组和两个GA₃反应RNA测序数据集中普遍存在232个DEGs（图3a）。这232个基因在注射GA₃微针后表现出不同的时间表达模式，使用欧几里德距离和完全聚类法进行了基因聚类分析，产生了五个基因簇（图3b）。GO术语，如“对赤霉素的反应”，在第1组中高度丰富，表明第1组中的基因与GA₃反应直接相关（图3c）。在第2组中没有与生物过程相关的GO术语，只有三个分子过程被丰富，这可能反映了响应GA₃途径诱导的下游变化（图3d）。

图3 ft-10拟南芥植株上负载GA₃的丝质微针的转录组分析  

微针在不同蔬菜品种中的应用

为了证明丝质微针在作物中传递PGRs的有效性，研究人员研究了GA₃在不同蔬菜种类上的传递，包括番茄、生菜和菠菜。微针的尺寸适合植物解剖（茎、中脉或叶柄的横截面），这表明了输送工具的多功能性。实验结果表明，在番茄植株中，通过微针传递GA₃对不同时期的生长都有影响，并且比叶面喷施更有效（图4）。

图4 微针在不同蔬菜植物品种中的应用

此外，微针还可以在粮食作物中进行应用。用GA₃负载微针（GA_INJ）或空微针（Mock）处理7日龄水稻幼苗（图5a-5c，n=8）。与模拟组和对照组相比，GA_INJ组株高增加（图5b）。GA_INJ植株的叶片长度也比模拟和对照组大。这些结果证明了GA₃在水稻中的成功传递进而表明微针介导的传递是有效的。

图5 谷物中的微针应用

综上，该研究以GA₃被用作PGR的替代物，它被加载到整个微针结构中，即微针体及其衬底。为了提高输送效率，有效载荷可以仅在微针尖端加载，还可改进现有的制造技术。进一步实验表明，与拟南芥伤害反应相关的基因表达在应用微针后24小时内下降。在拟南芥突变体ft-10中微量注射赤霉酸（GA₃）可以提供一种比喷雾更有效的方法来激活GA₃途径、加速抽苔和抑制花的形成。在几种单子叶和双子叶作物中也观察到了微针传递GA₃的效果，即番茄、生菜、菠菜、水稻、玉米、大麦和大豆。由此可见，此种微注射器可以成功地针对各种植物，为它们在植物科学和农业中的应用打开了大门。

论文链接： https://doi.org/10.1002/adma.202205794   审核编辑 ：李倩