相信大家科幻电影中经常看到这样的片段：某个神奇的仪器只需轻轻触碰人体，就立刻治愈了严重的伤口。
还在幻想未来的景象吗？现在，这种不可思议的技术已经变成了现实！来自美国俄亥俄大学的科学家们刚刚开发出一种纳米生物芯片，只需轻轻触碰伤口几秒钟，就可以快速激活细胞再生，使创伤在短期内治愈。目前，他们已经成功治疗了小鼠腿部重伤，并利用这种技术将皮肤细胞转换为脑神经细胞，从而帮助治愈小鼠的中风。不得不说，这是再生医学领域里程碑式的突破！近日，《Nature Nanotechnology》刊登了该研究的论文 ，揭开了它的神秘面纱。下面，未止科技小编就带领大家详细了解一下这项技术吧。
多年以前，中山申弥就发现，细胞重编程（cell reprogramming）技术能够把普通细胞转变为诱导全能干细胞（iPSC）- 这些干细胞可以在培养皿中重新分化成特定的组织细胞，把它们移植回人体就能起到治疗创伤和组织再生的作用。细胞疗法（cellular therapy）由此诞生，成为了一种十分有潜力的再生医学手段。然而，体外进行的细胞重编程常常在诱导和分离环节遇到阻碍，并且原始细胞的来源受到很大限制。因此，近年来，科学家们正在急切地寻找方法，使细胞重编程能够在体内进行 - 这样一来，病人就可以“自产”干细胞了！不仅有充裕的细胞源，还能极大提升治疗效率。
可惜的是，目前的体内重编程技术主要依靠病毒转染来导入编程基因 - 它的靶向随机性无法避免，而且很容易带来细胞死亡、组织感染等副作用。
为了解决这个难题，美国俄亥俄大学的Chandan Sen博士开发出了一种名叫“组织纳米转染（tissue nanotransfection，简称TNT）”的技术：它可以直接将重编程因子DNA通过纳米通道输送到目标细胞内部，从而不借助病毒实现体内重编程！
从本质上来说，TNT其实是一种基因递送（Gene Delivery）技术。
首先，这个芯片上布满直径500纳米的微管，编程因子的基因会被搭载到芯片的表面。
随后，当这个芯片接触到创伤表面的皮肤时，科学家会对芯片和皮肤之间施加250V的电压。在电场的作用下，细胞膜表会进行扩张，自然形成一些微孔。Chandan博士表示，这些微孔会占据细胞膜总面积的2%【2】。这样一来，芯片上的纳米管道就与细胞连接起来了，形成了一个通道。
最终，电场会迫使芯片搭载的DNA向子弹一样射入细胞（类似电泳的原理），从而实现对表皮细胞的重新编程。
总之，核心就是两个要素：芯片 - 递送基因的工具；搭载的基因- 决定重编程的类型。
听起来好像也没有什么特别之处嘛！Shandan博士表示，千万不要小看它，因为它的效率和准确性是十分惊人的。首先，一块指甲盖大小的芯片，完成基因递送只需要0.1秒 - 真的是“轻轻一碰”！其次，它的递送效率能够达到100% - 而截止今天，没有任何其它技术能够超过98%【2】。
在体外研究中，Shandan博士发现，使用Etv2，Foxc2和Fli1三种编程因子DNA的组合（EFF），可以让皮肤细胞转变成诱导内皮细胞（iEC）- 它们可以重新分化为血管壁细胞。进一步研究表明，EFF递送确实可以促进血管生成。于是，Shandan博士开始考虑活体实验：是不是可以使用TNT递送EFF因子，直接治疗动物的血管创伤？
Shandan的研究小组立刻找来的小鼠作为实验对象，并人为损伤了小鼠的后肢血管，造成了局部贫血症状（听上去有点残忍。。。）。三天后，一部分幸运的小鼠接受了TNT技术的治疗 - 利用一块2X1厘米的芯片，接触受伤血管上面的皮肤几秒钟，便注入了EFF因子。而另一部分可怜的小鼠则作为对照组，没有接受任何治疗。一周后，注入EFF因子的小鼠，部分表皮细胞开始转变为血管细胞。两周之后，新血管开始生成。第三周，更神奇的事情发生了：这些小鼠的血管焕然一新，完全得到了治愈！
下图展示了该研究最核心的成果。在TNT治疗后，原本没有血液流动的创伤区域，又恢复了活跃状态。而从生理外观来看，小鼠后肢也完全恢复了正常【3】。而对照组小鼠的创伤却无法自然愈合。
免疫荧光实验也清楚地展示了血管生成过程中的关键标志物。
看到这里，大家心里肯定有疑惑：芯片只能接触到少量表皮细胞，而血管却在深处的肌肉中，iEC是如何到达这些区域的？它们又是如何精确定位创伤位置的？
遗憾的是，这背后的原理暂时并不明确，需要进一步验证。不过，Shandan博士也根据研究给出了推测：细胞能够通过胞外囊泡（EV）将转染的cDNA/mRNA扩散到更深处的组织 - 此时，EV能够作为iEC重编程信号传播的媒介。如下图所示：
简单，高效，低成本，无副作用是TNT技术的最大优势。Shandan的合作者James Lee博士表示：”这是一个非常简单的概念。说实话，它能够有如此好的效果，我们自己都很惊讶！”
不要以为TNT技术仅仅可以治疗血管，Shandan博士表示，它的潜力是无限的，可以治疗各种组织的损伤，甚至可以放置到体内，直接治愈器官创伤 - 理论上，只要设计好重编程因子，就可以治疗一切创伤！
目前，Shandan的小组已经进行了更大胆的尝试：他们利用TNT技术，在小鼠皮肤表面培养出脑神经细胞，然后收集它们，用来治疗小鼠大脑创伤。令人惊讶的是，当他们把这些细胞注射到中风小鼠的大脑后，竟然让这些小鼠恢复了正常，完全治愈了中风！
下一步，Shandan最希望的就是在一年内将TNT应用到人体临床试验。祝愿他们早日成功，治愈更多病人的伤痛！
参考资料：
【1】DOI: 10.1038/NNANO.2017.134
【2】http://www.npr.org/sections/health-shots/2017/08/08/542057520/a-chip-that-reprograms-cells-helps-healing-at-least-in-mice
【3】http://osuwmc.multimedia-newsroom.com/index.php/2017/08/07/breakthrough-device-heals-wounds-in-lab-tests-with-a-single-touch/
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