藥物“閃送”，療效必達！

近日，北京航空航天大學

生物與醫學工程學院常凌乾團隊

與合作者研發一種

柔性可植入式電子貼片（NanoFLUID）

相關成果于2025年4月30日

發表于《Nature》雜志

內臟器官疾病的精準治療，依賴于高效藥物遞送方法。然而，現有的藥物遞送范式面臨兩大挑戰：首先，傳統的口服或者靜脈給藥方式效率有限，藥物在全身循環中容易"迷路"，難以精準到達病灶部位，并產生對其它器官損傷的風險。其次，大分子藥物，如基因藥物，很難穿過細胞膜天然屏障。“按照常規的給藥方式，相當于吃100塊錢的藥，可能只有1塊錢的藥能真正到達病灶區域進行有效治療，99塊錢的藥物成分都在循環過程中被無效代謝掉了。”北京航空航天大學生物與醫學工程學院常凌乾教授生動地解釋道。因此，開發精準、安全、高效的靶向器官藥物遞送技術，是提高臨床治療效果的核心要務。

為解決這一問題，近日，常凌乾團隊聯合北京大學、香港城市大學、美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（UIUC）、西北工業大學等研究者，報道了一種柔性可植入式電子貼片（NanoFLUID），融合了柔性電子、微納加工等前沿技術，具有無線控制、極致輕薄和易貼附特點，可以像創可貼一樣貼在生物體器官上，將藥物精準送達靶器官部位和細胞內部。相關成果以“A battery-free nanofluidic intracellular delivery patch for internal organs”為題，發表于國際頂級期刊《Nature》。

第一作者：北京航空航天大學生物與醫學工程學院尹德東博士、北京航空航天大學生物與醫學工程學院蔣欣然（博士生）等

通訊作者：北京航空航天大學生物與醫學工程學院常凌乾教授

第一單位：北京航空航天大學

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NanoFLUID設計與表征

作者在一張厚度?50 μm、直徑?10 mm、質量不足20 mg?的聚萘二酸乙二醇酯薄片上集成了一種完全柔性、無需電池的“納流體細胞內遞送貼片”，能夠貼合小鼠乳腺或肝臟等輕微曲面的器官而不影響其運動?。遞送側采用“納米孔-微通道-微電極”三層結構：600 nm?孔徑的聚碳酸酯膜、微通道儲液器以及金微電極陣列。有限元模擬顯示，納米孔可將外加電場集中至約?1.5 × 106?V m?1，使電泳驅動的貨物傳輸速率較純擴散提高約?105倍，而所用脈沖僅為方波?20 V、10 Hz、20 ms。背面線圈與齊納二極管整流器可在?12 MHz?射頻載波下收能，輸出?20 V（體外/肝臟實驗）或?50 V（較厚組織），且在?3–5 cm?組織距離或?60°?靜態彎折條件下電壓保持穩定，后者亦是器件的疲勞極限。圖?1展示了器件貼附于器官表面的整體照片（a/b），三層結構示意（c/d），納米孔電穿孔原理圖（e）以及無線產生的?50 V?脈沖序列（g）。

圖?1.?用于在體內器官內進行輸送的無電池?NanoFLUID?裝置

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NanoFLUID體外共轉染效能

在三種難轉染細胞（MCF-7、人間充質干細胞MSC、鼠主動脈內皮細胞RAEC）中，優化方案（20V、20ms、2脈沖）可獲得>90%GFP陽性率，而脂質體法為65–75%，商用體積電轉化儀則<25%。一次性遞送四種熒光質粒時，NanoFLUID處理細胞中約50%同時表達四個基因；脂質體法僅9.4%，體積電轉僅0.8%。電穿孔亦將細胞外囊泡（EV）釋放量提升至近3×109?EV ml?1，比對照高約十倍，其中約一半EV封裝了轉染的mRNA/蛋白，可實現旁觀者細胞的二次轉染。圖2示意轉染流程（a）、單基因效率柱狀圖（b）、四色陽性單細胞（c）、RT-PCR結果（d）、多基因表達分布（e–g）、EV產量（h）及EV-介導的二次轉染（i/j）。對于安全性與整體體內效能，貼片植入于第四乳腺皮下21天無肉眼炎癥反應，局部細胞因子水平正常，全血計數及血清生化亦未見異常；LPS處理組作陽性對照。在肝臟實驗中，20V脈沖可使約6%肝細胞轉染而不升高ALT/AST，說明低場強足以避免深層組織損傷。遠隔器官幾乎未檢測到非特異性熒光，與系統性病毒或脂質體遞送相比顯著降低。

圖?2. NanoFLUID?增強體外多種基因的轉染

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NanoFLUID急性肝損傷治療

在小鼠肝裂傷模型中，比較5種處理：空白、GelMA水凝膠、系統性脂質體-EGF、GelMA+EGF及NanoFLUID+EGF（質粒2mgkg?1）。NanoFLUID可即時止血并在7天內實現100%生存率，空白對照為60%，脂質體組70%。僅NanoFLUID-EGF與水凝膠-EGF組在第7天將ALT/AST恢復至基線。組織學顯示肝實質平滑、Masson染色幾乎無膠原沉積，Suzuki壞死評分平均0.2（其他組1.5–4.0）。圖3匯總實驗時間軸（a）、Kaplan-Meier生存曲線（b）、肝功能曲線（c/d）、H&E與Masson切片（e）、纖維化定量（f）及Suzuki評分（g）。

圖?3. NanoFLUID?在急性創傷性肝損傷治療中的應用

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NanoFLUID原位乳腺腫瘤建模

兩次遞送CRISPR/Cas9質粒敲除Brca1與Trp53：周1流式檢測3%Brca1-KO、21%Trp53-KO、68%雙KO細胞。光片顯微定位表明GFP?前癌克隆遍布2.5mm厚腺體（b）。中位腫瘤潛伏期53周；15例NanoFLUID小鼠中6例出現可觸癌，而靜脈脂質體僅2/15（P=2.4×10??）。彗星實驗顯示雙鏈斷裂增加九倍，全基因組測序檢出7600處顯著拷貝數變異，接近人BRCA1突變乳腺癌的8300處，遠高于傳統胚系GEMM的3311處。圖4給出單細胞KO分布（a）、3-D定位（b）、無瘤生存曲線（c）、IVIS成像（d）、組織學與γH2AX染色（e/f）、彗星定量（g）及基因組對比（h–j）。

圖?4. NanoFLUID?體內轉染產生原發性乳腺腫瘤

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NanoFLUID原位乳腺腫瘤治療

對?~70 mm3?的?E0771 Brca1/Trp53-KO?腫瘤，連續?3?周遞送?FITC-尼拉帕利：口服灌胃（50 mg kg?1?d?1）、單次腫瘤內注射、可降解緩釋膜（45 μg）或NanoFLUID?（6 × 10??ng g?1，每?3?天一次）。10 min?內?NanoFLUID?使?~35 %?腫瘤細胞含藥，而腫瘤內注射僅?~12 %，口服/緩釋膜?< 5 %?；組織切片證實?NanoFLUID 12 h?內保持最高滯留?。PK?顯示每次脈沖均維持?≥ 6 × 10??ng g?1?的谷濃度，而緩釋膜?21?天中有?10?天低于最低有效水平?。結果?NanoFLUID?將平均腫瘤體積縮至?~150 mm3，空白為?~500 mm3，其他遞送方式約?350–400 mm3（P = 2.05 × 10?12）?。僅口服組現全身毒性—體重下降?15 %、血小板下降?60 %、ALT/AST?升高；NanoFLUID?組生理參數正常。圖?5展示方案（a）、快速攝取動力學（b/c）、腫瘤生長曲線（d）與質量（e）、凋亡/增殖標記（f）、安全性指標（g–j）。

圖?5. NanoFLUID?輸送用于原位乳腺腫瘤治療

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NanoFLUID轉移驅動基因篩選

利用其高共轉染能力，在可誘導?PyVmT?小鼠原位遞送含GFP?的?50?個不良預后基因?piggy-Bac?文庫。1?周時所有基因僅見于乳腺細胞，肺/肝均為陰性，說明空間控制精準?。第?9?周?7/8?文庫小鼠出現轉移（肺6?例，肝?5?例），空載組至?12?周仍?0/8?。對轉移灶?PCR/qPCR?揭示?11?個富集基因，其中?DUS2?最高，TPM 4 030，5/8單細胞基因組檢出?。單獨過表達?DUS2?使轉移結節數翻倍，同時敲低（人/鼠?shRNA）將結節降低?> 60 %（P = 0.037）?。蛋白質組學表明?DUS2?上調?76?種參與Rho-GTPase?信號、黏附斑及上皮-間質轉化的蛋白，推動侵襲?。圖?6包括篩選流程（a）、基因存在熱圖（b）、單細胞多基因裝載（c）、無轉移生存曲線（d）、IVIS/H&E?示范（e/f）、結節計數（g）、富集熱圖（h/i）、轉譯實驗（j–m）及?DUS2?功能增/減實驗（o–r）。

圖?6.?通過?NanoFLUID?介導的基因庫傳遞篩選乳腺癌轉移驅動基因

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總結

通過巧妙的“納米孔-微流體-微電子”架構，NanoFLUID能以20–50V無線脈沖在活體器官實質中原位穿孔并電泳推進帶電貨物，實現亞毫米級精準遞送。平臺在體外可獲得>90%多基因轉染效率，體內可止血并修復致命肝裂傷，構建基因組特征貼近人病的BRCA1/TP53-突變原位腫瘤，并在PARP-抑制劑遞送中優于系統或被動局部療法而無全身毒性。其一次可并行遞送50種質粒，10周內成功篩出肺特異性轉移驅動基因DUS2。綜上，NanoFLUID是一種多功能生物電子貼片，適用于器官定點治療、疾病模型構建及高通量體內基因學研究，有望解決深部、脆弱或難切除組織的多類棘手病癥。

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