一种新的基于电穿孔的皮肤高效核酸递送方法

近日，在国家自然科学基金（81402863）和北理工创新人才科技资助专项（国家优青培育项目）的支持下，北京理工大学前沿交叉科学研究院、生命学院黄渊余课题组与北京大学信息科学技术学院微纳电子研究院、医信交叉研究中心李志宏课题组合作，在柔性电穿孔芯片介导核酸药物体内递送方面取得新进展，相关研究成果发表于生物医学1区杂志《治疗诊断学》（Theranostics，影响因子8.766），并被选为当期的封面文章。黄渊余与李志宏为共同通讯作者，黄渊余为首要通讯作者（Lead Contact）。

图1 研究工作被选为封面文章推介及工作示意图

基于小干扰RNA（siRNA）、DNA核酸的基因治疗是继小分子化合物、单克隆抗体后的下一代生物医药发展的重点方向。RNA干扰从机制上几乎可沉默任意感兴趣基因的表达，从其发现到被授予诺贝尔生理医学奖仅历时8年；基于DNA的基因治疗则可通过外源导入目的基因纠正基因表达缺陷或异常，或表达抗原制成疫苗。但是，该类核酸物质的应用与药物开发面临如何实现安全高效的体内输运的关键科学问题。皮内或皮下给药是临床常见的施药方式，由于皮肤的可及性和临床与组织学上的安全性，以及易于监测与评估，对上述核酸物质（药物或疫苗）进行透皮给药是一种重要的、颇具临床应用前景的给药方式。但是，由于皮肤结构复杂，且具有良好的保护性，核酸分子如何有效穿透角质层进入皮肤细胞仍是各类核酸物质（生物分子）应用的主要障碍。

黄渊余课题组与李志宏课题组共同提出了一种新的基于电穿孔的皮肤高效核酸递送方法，该方法结合医疗美容领域的微针滚轮与柔性插指电极芯片（flexible interdigitated electroporation array, FIEA），实现了核酸分子在皮肤组织的高效输运，进而实现了目标基因表达的精准操控。研究者首先利用微针滚轮在小鼠皮肤组织建立微孔道，促进电穿孔缓冲液或核酸溶液渗透到组织中，在皮下形成纵向的液体微电极，接着使用柔性电穿孔芯片覆盖目标区域的皮肤组织，应用低电压（50V或70V）的脉冲刺激，即可通过柔性电极和液体微电极在皮下产生较均匀的脉冲电场，促使核酸分子穿过角质层、进入皮肤细胞，实现基因表达或沉默。利用该策略，研究者成功地在正常小鼠皮肤上实现了红色荧光蛋白基因（RFP）的表达，以及通过电转siRNA有效抑制了皮肤组织中靶基因的表达。相较于未使用微针滚轮辅助的单独柔性电极电穿孔，该联合策略在效率上具明显优势，并降低了电压，具有更好的安全性。同时，该药物递送策略有望用于其它生物大分子（如CRISPR/Cas9基因编辑元件、多肽、蛋白等）的透皮递送，有望用于皮肤局部疾病的治疗，或其它部位疾病的疫苗防控等领域。

图2 微针滚轮结合柔性插指电极芯片用于核酸分子体内输运的技术路线及结果，（a）微针滚轮及柔性插指电极实物图、电场模拟图，以及该电穿孔策略的操作步骤；（b）RFP、siRNA电穿孔后小鼠活体成像结果；（c）RFP、siRNA电穿孔后定量分析结果；（d）siRNA介导皮肤中靶基因的表达沉默