可穿戴生物芯片在单细胞传感和基因转染中的应用

柔性可穿戴生物医学芯片目前主要可应用于：1）皮肤或器官生理信号传感器；2）透皮给药、在体基因转染（图1）。近年来，微纳米技术的发展，使可穿戴传感器在单细胞精度上进行长时间、实时生理参数的检测。另一方面，基于微纳米结构的在体透皮递送系统可以实现精确分子递送，包括小分子（如葡萄糖等）和大分子（如蛋白，质粒等）。最新报道的一些纳米转染芯片可以有效地表贴于皮肤上，并在单细胞精度上进行基因转染。与常规方法相比，纳米芯片的转染效率、安全性和剂量可控性都具有显著优势。

图1 可佩戴单细胞传感器和单细胞基因转染芯片

北京航空航天大学常凌乾教授（第一作者）、樊瑜波教授（通讯作者），休斯敦大学余存江教授（通讯作者），内布拉斯加大学杨瑞国教授（通讯作者），北德克萨斯大学医学院Yu-Chieh Wang教授联合在Cell Press著名综述期刊《Trends in Biotechnology》上发表论文，评论和展望了单细胞传感和基因转染佩戴式生物芯片的研究。北航生物医学与工程学院为第一单位。

第一部分总结了单细胞检测的佩戴式传感芯片。理论上讲，传感器敏感区域尺寸决定了是否可以检测单细胞。设计细胞尺寸（10~100 µm）的敏感区域，严格控制敏感膜与细胞之间的距离，即目标分子（如细胞激素、多肽、神经递质等）的传递距离，可有效提高传感器的信噪比（S/N）。除此之外，传感器材料也是构建单细胞传感器的重要条件：基底材料直接决定了传感器与皮肤或器官的接触性；生物敏感膜材料决定了传感器的灵敏度、准确度和长时间工作可靠性。综述总结了最新报道的具有单细胞精度传感器的原理、器件性能和功能、检测细胞种类和信号类别等（图2）。

图2 有望具备单细胞精度的可穿戴传感器。（a）可从皮肤细胞检测到的代表性信号。（b）rGO/FeTCPs FET传感器用于单细胞精度NO检测；（c）基于CNT/PDMS的ECG电极；（d）基于微流控的单细胞检测芯片。

第二部分聚焦于在体透皮药物递送和基因转染芯片系统。常规的透皮系统仅可用于递送易被表皮细胞、真皮细胞吸收的小分子物质，如葡萄糖、胰岛素等。大分子质粒、核酸等，由于很难直接进入细胞内，常规递送系统往往导致很低的效率。最新微纳米生物芯片可以单细胞精度上直接进行在体大分子递送或基因转染。综述总结了两种基于物理方法的可表贴佩戴式的细胞基因转染系统，即纳米电穿孔基因转染技术和纳米针尖系统，并讨论了各自的优缺点和应用范围（图3）。

图3 单细胞精度的在体基因转染芯片。（a）一种可以直接贴皮的聚合物柔性微针阵列可用于在体电穿孔；（b）可降解纳米硅针阵列用于在体核酸递送；（c）硅基纳米通道电穿孔技术用于在体细胞重编程。

最后，对该领域研究进行展望，提出5个关键问题，包括，如何设计敏感膜以实现单细胞精度；如何确保在佩戴和检测过程中皮肤和敏感膜的有效接触；如何微型化递送系统以实现单细胞基因转染；如果在深层皮肤内达到具有治疗效果的递送和转染；如何整合芯片系统实现多种功能等。

文章检索：

L. Chang, Y. Wang, F. Ershad, R. Yang, C. Yu, Y. Fan, Wearable Devices for Single Cell Sensing and Transfection.Trends in Biotechnology, 2019, DOI: 10.1016/j.tibtech.2019.04.001

课题组简介：

常凌乾博士，现为北京航空航天大学生物与医学工程学院教授，医工交叉高精尖中心单细胞分析纳米技术研究所（INSCA）执行副所长。曾担任美国北德克萨斯大学（University of North Texas）生物医学工程系助理教授（Tenure Track），入选2017年中组部‘青年千人计划’。

课题组研究聚焦于单细胞基因转染技术、细胞微操纵技术、细胞基因检测、治疗等技术的研究。近五年在国际知名期刊发表SCI论文50篇，如Nature Nanotechnology, Nano Letters, Small等。