科學(xué)通報 | 北航常凌乾教授團(tuán)隊綜述微納米電穿孔技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的研究進(jìn)展

近日，北京航空航天大學(xué)常凌乾教授團(tuán)隊在《科學(xué)通報》發(fā)表綜述文章，系統(tǒng)總結(jié)了微/納米電穿孔（Micro?/nano?electroporation，MNEP）技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的最新研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了該技術(shù)的基本原理、應(yīng)用場景、以及未來發(fā)展方向，為該技術(shù)促進(jìn)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)發(fā)展和臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供了新思路。

在生命科學(xué)與工程技術(shù)深度融合的背景下，細(xì)胞精準(zhǔn)操控技術(shù)已成為突破疾病診療、基因編輯、再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域核心瓶頸的關(guān)鍵支撐。傳統(tǒng)電穿孔技術(shù)面臨遞送效率與細(xì)胞活性難以兼顧的痛點(diǎn)，而MNEP技術(shù)作為物理細(xì)胞操控領(lǐng)域的重要方法，利用微納尺度結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)調(diào)控電場分布，在實現(xiàn)細(xì)胞膜高效可逆穿孔的同時，能最大程度維持細(xì)胞的高存活率，為細(xì)胞分析、靶向藥物遞送、疾病精準(zhǔn)治療等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)平臺。

文章首先系統(tǒng)闡述了MNEP的基本原理，并從細(xì)胞膜穿孔、分子跨膜運(yùn)輸、細(xì)胞膜修復(fù)三個階段，解析了其實現(xiàn)細(xì)胞可逆穿孔與高效分子輸運(yùn)的內(nèi)在作用機(jī)制，為MNEP技術(shù)的應(yīng)用奠定了堅實理論基礎(chǔ)。首先，由微納結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的局域增強(qiáng)電場，能在微秒級的時間內(nèi)使細(xì)胞膜形成納米級通道，通過調(diào)節(jié)電壓、脈沖時長、脈沖數(shù)量等參數(shù)，可精準(zhǔn)控制膜穿孔的大小、密度與存在時間，為分子輸運(yùn)創(chuàng)造條件。其次，電泳力作為主要驅(qū)動力，可將質(zhì)粒DNA、mRNA、siRNA等外源性功能分子高效送入細(xì)胞，同時也能反向提取細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、代謝物、核酸等內(nèi)容物，滿足單細(xì)胞分析與臨床診斷的需求。相較于傳統(tǒng)電穿孔，微納尺度的電場操控使所需電壓降低數(shù)個數(shù)量級，大幅減少了細(xì)胞的不可逆損傷，顯著提升了操作安全性。最后，細(xì)胞膜脂質(zhì)雙分子層會在數(shù)秒至數(shù)分鐘內(nèi)完成修復(fù)，保證了MNEP完成操作后的細(xì)胞高活性。

隨后，文章從體外、離體、體內(nèi)三個維度，系統(tǒng)論述了MNEP技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展，充分展現(xiàn)了其臨床轉(zhuǎn)化潛力。在體外研究中，該技術(shù)可實現(xiàn)活細(xì)胞內(nèi)高效探針遞送與高通量單細(xì)胞分析，在活細(xì)胞的前提下動態(tài)解析信號變化，為基礎(chǔ)生命科學(xué)研究提供精準(zhǔn)工具。在離體應(yīng)用領(lǐng)域，MNEP突破了傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，可高效完成活細(xì)胞的基因改造，滿足CAR?T細(xì)胞等過繼性細(xì)胞療法需求，解決了傳統(tǒng)病毒載體存在的安全隱患與傳統(tǒng)電穿孔細(xì)胞活性損傷等難題。在體內(nèi)應(yīng)用場景中，植入式微針陣列、柔性納米電子貼片等MNEP裝置，通過直接遞送基因編輯工具，為局部腫瘤免疫治療、受損神經(jīng)修復(fù)等疑難病癥提供了靶向治療方案，推動了疾病精準(zhǔn)治療的快速發(fā)展。

文章總結(jié)了MNEP技術(shù)遞送效率高、細(xì)胞損傷小、兼容性強(qiáng)等的顯著優(yōu)勢，指出其已成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有強(qiáng)大轉(zhuǎn)化潛力的前沿技術(shù)之一。同時，文章也提出該技術(shù)面向臨床轉(zhuǎn)化與規(guī)模化應(yīng)用仍面臨一些關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)：一是需要構(gòu)建系統(tǒng)的物理計算模型，完善理論支撐體系；二是要在高通量系統(tǒng)中實現(xiàn)單細(xì)胞分辨率的閉環(huán)反饋控制，提升操控精準(zhǔn)度；三是需開發(fā)3D打印、自組裝等低成本規(guī)模化制備工藝；四是推動原位檢測、實時分析、精準(zhǔn)遞送一體化集成，打造多功能智能平臺。

未來，隨著生命科學(xué)與納米技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，攻克上述技術(shù)瓶頸將加速M(fèi)NEP技術(shù)的迭代升級，推動智能化、閉環(huán)式電穿孔平臺的發(fā)展與應(yīng)用。該技術(shù)將深度賦能基因診斷、細(xì)胞治療、精準(zhǔn)治療等關(guān)鍵領(lǐng)域，為未來的高精尖醫(yī)學(xué)技術(shù)變革提供有力支撐。

北京航空航天大學(xué)醫(yī)學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院常凌乾教授與董再再助理教授為本文的通訊作者，北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院李瑞陽為本文的第一作者，北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院張若雯為共同第一作者。文章由山東省自然科學(xué)基金(ZR2024QB014)和國家自然科學(xué)基金(22304006, 62471021, T24B2006)資助。

文章信息

李瑞陽，張若雯，常凌乾，等.微納米電穿孔技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的研究進(jìn)展 . 科學(xué)通報, 2026

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