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超聲基因轉移比其他細胞轉移技術更有優勢，因為超聲不直接作用于細胞，而是通過聲孔效應將細胞周圍的基因片段推入細胞。據麥姆斯咨詢報道，近日，一支由中國廣西大學和中國科學院智能機械研究所的研究人員組成的團隊在Micromachines期刊上發表了題為“A Microfluidic System of Gene Transfer by Ultrasound”的論文。該論文提出的微流控系統對于開發用于癌癥早期診斷和癌癥治療評估的單細胞生物芯片平臺具有重要意義。

從外源向細胞的基因轉移是一項基本的生物工程技術，也是表征基因結構和功能的有力工具。目前用于裸基因轉移的被動方法包括：脂質體介導法、微注射法和病毒載體轉染法等。裸基因轉移的被動方法具有無需外部供能、設備簡單等優點，但載體，尤其是病毒載體，存在局限性和安全缺陷。雖然脂質體、高分子材料和納米基因轉運蛋白等非病毒載體沒有病毒毒性或免疫原性等缺陷，但它們的傳輸效率非常低。

裸DNA轉移的主動方法包括：微注射、粒子轟擊/粒子槍、電穿孔和光學方法。微注射和粒子轟擊都是介入方法；也就是說，細胞膜必須穿孔才能將DNA導入細胞。電穿孔基因轉移也需要細胞膜穿孔，它利用高壓電擊（10–20kV/cm）將DNA質粒通過細胞膜后轉移到細胞內。目前，電穿孔是最常用的一種方法，因為電穿孔具有轉染效率高和適用于大型DNA質粒的優點，但其操作需要低離子水平的培養基和高電壓，這可能導致細胞死亡。此外，高聚焦激光還可用于在細胞膜上產生直徑約1μm的穿孔，這是光學基因轉移的原理。然而，激光束很容易損傷細胞，這大大限制了該方法的應用。光學基因轉移特別適用于一次僅處理一個細胞的單細胞轉染。

圖1 超聲DNA轉移機理的示意圖

超聲介導的基因轉移，也被稱為聲孔效應，是近年來開發的一種細胞膜滲透技術，已被應用于細胞內的DNA和藥物轉移。該技術基于超聲波的空化效應。當超聲波在液體溶液中傳播時，路徑中的液體將經歷交替壓縮和膨脹。如果超聲強度足夠大，液體在壓縮和膨脹過程中會形成氣泡，并能在膨脹到一定程度后破裂。從氣泡產生到破裂的時間通常非常短，通常在1μs以內。該過程被稱為超聲空化。超聲空化產生的局部高溫高壓沖擊波可以在細胞膜上形成有效直徑小于100nm的微孔。這些微孔可以持續幾秒鐘，讓較大的分子從培養基進入細胞。在優化的條件下，細胞可以在空化效應下存活，且無明顯損傷。基于自修復機理，基因轉染后細胞膜可以自行橋接。以上是超聲介導的基因轉移的原理。圖1顯示了超聲介導的DNA轉移機理和DNA質粒轉移到細菌細胞內的典型步驟。

該技術目前被認為是將DNA質粒或片段轉染到細胞內的理想方法。它具有以下優點：（a）理論上，DNA或RNA可以被轉移到任何類型的細胞，包括細菌細胞、植物細胞和哺乳動物細胞；（b）它不要求培養基是無離子的，并且可用于在自然環境或人體內生長的細胞；（c）它是非侵入性的，不需要與細胞直接接觸；（d）人們可以很容易控制轉移的時間和位置。超聲可以被限制在特定的區域或時間段，以改善基因轉移的效果。

現有的超聲介導的基因轉移技術都是在宏觀體積下使用大型超聲設備（例如喇叭形超聲輻射器或超聲浴）進行的。相關研究僅在宏觀尺度（10?–10?個細胞）上進行，并得出平均數據。由于細胞反應的不均勻性和不同的生命或代謝周期，平均數據往往難以解讀。為了解決這個問題，需要開發單細胞操作、高精度分析和高靈敏度檢測的新技術和新裝置。有趣的是，利用微流控技術，生物芯片——“芯片實驗室”（lab-on-a-chip）的尺寸與細胞尺寸是兼容的，適合單細胞操作。

與宏觀和大體積分析技術相比，集成生物芯片技術具有試劑消耗小、殘留物少、反應時間短、精度高、成本效益好、一次性使用等優點。微流控裝置的使用有利于細胞的分離、捕獲、定位和觀察。此外，人們可以控制附著細胞的器件表面物理和化學參數，例如局部pH值和溫度，以精確控制細胞周圍的局部環境。

圖2 微流控超聲基因轉移系統示意圖

在本論文研究中，作者們將基于柔性基底壓電薄膜的MEMS聚焦超聲換能器與微通道集成，提出了一個能夠滿足高精度分析和單細胞操作要求的微流控超聲基因轉移系統。該系統的核心部分是一個碗形彎曲的壓電薄膜結構，其功能是自動聚焦超聲波。低輸入電壓和功率可以在微通道局部區域獲得超過空化閾值的聲壓，以減少對細胞的損傷。他們通過有限元仿真驗證了該系統的可行性，開發了MEMS超聲器件和微通道集成的微流控系統，成功開展了HeLa細胞的超聲基因轉染實驗。實驗結果表明，超聲換能器越多，轉染率越高。