小鼠模型在柔性可植入生物電子貼片POCKET研發(fā)中的應(yīng)用

2026年1月27日，來(lái)自北京航天航空大學(xué)常凌乾團(tuán)隊(duì)等多個(gè)團(tuán)隊(duì)合作在Cell上發(fā)表了題為”An organ-conformal, kirigami-structured bioelectronic patch for precise intracellular delivery”的研究文章。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于剪紙（kirigami）結(jié)構(gòu)的器官定制化理論，并據(jù)此開(kāi)發(fā)了POCKET（用于器官定制化、剪紙結(jié)構(gòu)電轉(zhuǎn)染的生物電子貼片），該貼片通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)器官的無(wú)縫貼合，利用納米孔-細(xì)胞緊密對(duì)接構(gòu)型實(shí)現(xiàn)了安全、高效、可控的全器官尺度胞內(nèi)遞送，并成功應(yīng)用于卵巢基因治療和腎臟藥物遞送。

南模生物為該研究提供了Dppa3-IRES-Cre（目錄號(hào)：NM-KI-00040）及Brca1-Flox（目錄號(hào)：NM-CKO-18007）小鼠模型

傳統(tǒng)生物電子貼片在治療復(fù)雜器官疾病時(shí)面臨三大核心挑戰(zhàn)：首先，受限于機(jī)械與材料特性，現(xiàn)有裝置難以與不規(guī)則曲面的器官實(shí)現(xiàn)緊密的共形貼合；其次，其龐大的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在組織-設(shè)備界面的遞送效率與空間可控性嚴(yán)重受限；最后，為提升貼合度而采用的柔性設(shè)計(jì)往往以犧牲有效覆蓋面積為代價(jià)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全器官尺度的高效均勻遞送。

因此，開(kāi)發(fā)一種能同時(shí)突破“貼不緊、遞不準(zhǔn)、蓋不全”困境，實(shí)現(xiàn)器官高共形貼合、最大化功能覆蓋、并在全器官層面進(jìn)行高效、均勻且空間可控的細(xì)胞內(nèi)遞送的新型生物電子界面技術(shù)，已成為推動(dòng)精準(zhǔn)器官治療發(fā)展的關(guān)鍵突破口。

1 器官共形剪紙?jiān)O(shè)計(jì)的原理
可穿戴/植入式貼片的共形性有助于其與目標(biāo)器官的無(wú)縫整合。這種整合對(duì)于組織-設(shè)備界面的正常功能至關(guān)重要，特別是對(duì)于具有不規(guī)則解剖結(jié)構(gòu)（如卵巢-輸卵管系統(tǒng)）的器官實(shí)現(xiàn)高效且空間可控的細(xì)胞內(nèi)遞送。

為增強(qiáng)傳統(tǒng)平面器械的共形性并實(shí)現(xiàn)全器官表面覆蓋，研究團(tuán)隊(duì)建立了一套通用的共形性理論，以指導(dǎo)基于剪紙結(jié)構(gòu)的貼片定制化設(shè)計(jì)（圖1A）。該理論的核心在于，通過(guò)分析目標(biāo)器官表面的高斯曲率分布，并建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出剪紙單元的關(guān)鍵幾何參數(shù)（長(zhǎng)度L與鉸鏈寬度S）與器官曲率半徑（R_s）之間的臨界關(guān)系（圖1D-F）。

這一基于定制化剪紙的共形設(shè)計(jì)原理，成功解決了傳統(tǒng)器件在復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)器官上難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高貼合度、大面積覆蓋與高效生物界面耦合的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)，為后續(xù)在各種器官上進(jìn)行安全、均勻、可控的全器官尺度遞送奠定了理論基礎(chǔ)與技術(shù)基礎(chǔ)。
 

圖1. 基于定量符合性分析的器官定制折紙?jiān)O(shè)計(jì)策略

2 生物電子POCKET的設(shè)計(jì)與制備
在通用共形理論的指導(dǎo)下，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了生物電子POCKET，專(zhuān)門(mén)用于全器官尺度上安全、高效和精準(zhǔn)的細(xì)胞內(nèi)遞送。POCKET由兩個(gè)功能模塊組成：(1) 定制剪紙結(jié)構(gòu)中的電轉(zhuǎn)染模塊，(2) 為電轉(zhuǎn)染供電的無(wú)線(xiàn)供電模塊（圖2A和2B）。電轉(zhuǎn)染模塊由四個(gè)薄層組裝而成：封裝層、電極層、藥物儲(chǔ)庫(kù)層和納米孔層（圖2C）。含納米孔的POCKET貼片可在低施加電壓（如20 V）下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、安全和可控的細(xì)胞電轉(zhuǎn)染，在器官表面達(dá)到一致的~80%轉(zhuǎn)染效率（圖2E）。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)在新鮮收獲的豬卵巢上驗(yàn)證了POCKET的共形性，在特征高斯曲率下，不同剪紙尺寸的器官包裹結(jié)果表明，隨著L和S減小，器械屈曲和分層引起的水泡數(shù)量和尺寸減小，在(L/R_s)_critical = 0.3和(S/L)_critical = 0.018時(shí)達(dá)到完全共形（圖2H, 2I）。同時(shí)，φ_eff從未切割平面電轉(zhuǎn)染（平面ET）貼片的~40%增加到POCKET貼片的近97%（圖2J）。

圖2. 生物電子口袋的整體設(shè)計(jì)與表征

3 POCKET增強(qiáng)全器官的遞送效率和均勻性
為驗(yàn)證POCKET在實(shí)際復(fù)雜器官中的遞送性能，研究團(tuán)隊(duì)在多種具有不規(guī)則曲面結(jié)構(gòu)的器官上進(jìn)行了系統(tǒng)性評(píng)估，包括兔角膜、小鼠腎臟以及豬和人的卵巢。結(jié)果顯示，與未經(jīng)切割的平面電轉(zhuǎn)染貼片和非定制化的折紙結(jié)構(gòu)貼片相比，POCKET在所有測(cè)試器官表面均實(shí)現(xiàn)了高度均勻且強(qiáng)烈的報(bào)告分子信號(hào)分布 (圖3A, 3B)。定量分析表明，POCKET的遞送效率在不同器官間穩(wěn)定在約84%，接近于90.25%的理論最大值，并顯著優(yōu)于兩種對(duì)照貼片 (圖3C)。同時(shí)，其遞送的有效載荷劑量相比平面貼片和普通折紙貼片分別提高了6倍和3倍，凸顯了其高效的遞送能力 (圖3D)。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)闡明了其優(yōu)異性能的機(jī)制，證明在POCKET的設(shè)計(jì)參數(shù)下，電極間距在30毫米內(nèi)對(duì)遞送效率無(wú)明顯影響，這為在不同尺寸器官上的應(yīng)用提供了靈活性 (圖3J-L)。綜上所述，POCKET通過(guò)其共形設(shè)計(jì)、納米孔-細(xì)胞并置界面和優(yōu)化的電學(xué)結(jié)構(gòu)，協(xié)同作用，最終實(shí)現(xiàn)了在全器官尺度上高效、均勻且空間可控的細(xì)胞內(nèi)遞送。

圖3. 完全符合性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的高遞送效率與口袋均勻性

4 POCKET介導(dǎo)的體內(nèi)全器官基因轉(zhuǎn)染
隨后，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)驗(yàn)證了POCKET在活體全器官轉(zhuǎn)染中的安全性、效率和空間可控性。研究團(tuán)隊(duì)將POCKET定制化地貼附于小鼠的一個(gè)（左側(cè)）卵巢-輸卵管（圖4A），通過(guò)無(wú)線(xiàn)觸發(fā)熒光蛋白編碼質(zhì)粒（PCMV-GFP和PCMV-mCherry）的電轉(zhuǎn)染，隨后進(jìn)行活體動(dòng)物監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，POCKET處理的小鼠僅在左卵巢和輸卵管顯示出高度局部化的報(bào)告信號(hào)，而基于注射的基因轉(zhuǎn)染則導(dǎo)致有效載荷擴(kuò)散到脫靶器官，并且在靶器官內(nèi)呈彌散分布（圖4B、4C）。接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了POCKET轉(zhuǎn)染靶向器官細(xì)胞層的可控性，以避免生殖細(xì)胞暴露于外源DNA。流式細(xì)胞術(shù)結(jié)果表明，POCKET在卵巢中實(shí)現(xiàn)了50%的體內(nèi)轉(zhuǎn)染效率，在輸卵管中實(shí)現(xiàn)了55%（圖4D, 4E）。

進(jìn)一步研究顯示，POCKET轉(zhuǎn)染的表面細(xì)胞細(xì)胞外囊泡（EV）分泌增強(qiáng)，質(zhì)粒衍生mRNA含量顯著升高I（圖4H-4J）。通過(guò)應(yīng)用外泌體分泌抑制劑（GW4869），研究團(tuán)隊(duì)可限制質(zhì)粒衍生蛋白的位置，確認(rèn)器官內(nèi)部的信號(hào)是POCKET誘導(dǎo)的含mRNA EV向內(nèi)傳播的結(jié)果（圖4K, 4L）。基于這些結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)建立了POCKET介導(dǎo)的卵巢基因治療策略：使用POCKET將質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)染到表面體細(xì)胞，同時(shí)促進(jìn)EV產(chǎn)生，然后通過(guò)EV將質(zhì)粒衍生mRNA傳遞到器官內(nèi)部（圖4M）。結(jié)合高效電轉(zhuǎn)染的精準(zhǔn)可控性與促進(jìn)含mRNA EV產(chǎn)生的能力，POCKET為卵巢提供了一種安全的基因治療方法。

圖4. 通過(guò)囊泡及EV介導(dǎo)的遞送策略
實(shí)現(xiàn)可控高效的體內(nèi)基因轉(zhuǎn)染

5 POCKET介導(dǎo)的Brca1突變小鼠雙鏈斷裂修復(fù)
全球范圍內(nèi)，具有BRCA1基因生殖系致病變異的女性遭受雙鏈斷裂（DSB）積累和錯(cuò)誤修復(fù)，顯著增加卵巢功能障礙、不孕（主要由于卵母細(xì)胞和顆粒細(xì)胞老化）甚至卵巢癌（來(lái)源于OSE細(xì)胞）的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)將功能性BRCA1 DNA拷貝轉(zhuǎn)移到卵巢-輸卵管系統(tǒng)的基因治療旨在糾正BRCA1缺陷并維持表型逆轉(zhuǎn)，即恢復(fù)DSB修復(fù)的正常功能。為驗(yàn)證這一猜想，研究團(tuán)隊(duì)在生殖系Brca1突變（Brca1+/−）小鼠模型中探究了其介導(dǎo)的基因治療對(duì)DNA雙鏈斷裂修復(fù)功能的恢復(fù)作用（圖5A-C）。

研究團(tuán)隊(duì)首先基于DSB特異性生物標(biāo)志物γ-H2AX評(píng)估DSB積累水平。結(jié)果表明，相較于平面ET和非CKET，僅POCKET介導(dǎo)的轉(zhuǎn)染可在卵巢和輸卵管中實(shí)現(xiàn)顯著的BRCA1上調(diào)和γ-H2AX下調(diào)，DNA損傷減少85%（圖5D-5F）。

在不同基因型小鼠中，POCKET治療使BRCA1嚴(yán)重缺陷的突變小鼠卵巢BRCA1表達(dá)提升13倍，將DNA損傷減少95%，使其降至野生型對(duì)照水平的50%；在野生型小鼠中也顯示出明顯的輻射防護(hù)效果（圖5G-I）。

進(jìn)一步為期150天的長(zhǎng)期觀(guān)察證實(shí)了其癌癥預(yù)防潛力，一次指定劑量（600 ng）POCKET轉(zhuǎn)染基因治療藥物在小鼠卵巢中的有效持續(xù)時(shí)間約為150天（圖5J）。結(jié)果顯示，MT-NC組小鼠在治療后90天內(nèi)OSE出現(xiàn)異常增生病變（圖5K）。所有病變均通過(guò)p53、γ-H2AX和CK7陽(yáng)性信號(hào)被鑒定為p53特征，代表上皮源性卵巢癌的早期癌變（圖5L）。到第150天，100%（n=22）的MT-NC小鼠發(fā)展為卵巢癌（圖5M）。相比之下，MT-Brca1小鼠在治療周期內(nèi)保持無(wú)癌狀態(tài)，表明POCKET介導(dǎo)的卵巢基因治療可有效預(yù)防癌癥。
 

圖5. 通過(guò)POCKET介導(dǎo)的基因治療改善
Brca1突變小鼠的DNA損傷修復(fù)功能

6 POCKET介導(dǎo)的基因治療恢復(fù)卵巢功能
為評(píng)估POCKET介導(dǎo)的Brca1基因治療對(duì)卵巢功能的恢復(fù)作用，研究團(tuán)隊(duì)在生殖系Brca1突變（Brca1+/−，MT）小鼠中開(kāi)展了系統(tǒng)性評(píng)估（圖5A）。結(jié)果表明，經(jīng)POCKET遞送Brca1基因治療后，突變小鼠原本降低的窩產(chǎn)仔數(shù)與異常的新生鼠體重均得到顯著改善并恢復(fù)至野生型水平（圖6B, C）。同時(shí)，卵巢儲(chǔ)備標(biāo)志物抗繆勒管激素（AMH）在顆粒細(xì)胞中的表達(dá)顯著升高（圖6D），血清中雌激素與孕酮水平也恢復(fù)正常（圖6E, F），提示卵巢內(nèi)分泌功能獲得全面改善。在卵母細(xì)胞質(zhì)量方面，治療后超數(shù)排卵獲取的卵母細(xì)胞數(shù)量顯著增加（圖6H），體外受精率與囊胚形成率均大幅提升至野生型水平（圖6I, J）。全外顯子組測(cè)序進(jìn)一步顯示，治療組胚胎的突變負(fù)荷顯著降低（圖6K, L），突變基因總數(shù)減少27%（圖6M），且生殖系中未檢出外源基因整合，證實(shí)該療法在有效恢復(fù)卵巢排卵功能與胚胎發(fā)育潛能的同時(shí)，具備良好的遺傳安全性。這些結(jié)果共同表明，POCKET介導(dǎo)的Brca1基因治療不僅能通過(guò)糾正DSB修復(fù)缺陷來(lái)降低癌癥風(fēng)險(xiǎn)，還能多方位地恢復(fù)卵巢的內(nèi)分泌功能、卵泡發(fā)育、卵母細(xì)胞質(zhì)量及胚胎發(fā)育潛能。

圖6. 通過(guò)POCKET介導(dǎo)的基因治療改善
Brca1突變小鼠的卵巢功能

7 POCKET介導(dǎo)的長(zhǎng)期藥物遞送可維持腎功能
為評(píng)估POCKET在慢性疾病治療中的適用性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了腎臟缺血-再灌注損傷（IRI）模型，探究其長(zhǎng)期藥物遞送效能（圖7A）。結(jié)果顯示，POCKET在腎臟表面可穩(wěn)定整合超過(guò)12周，其完全共形的特性有效減輕了異物反應(yīng)，僅誘導(dǎo)形成薄層疏松的纖維囊（圖7），為持續(xù)的藥物滲透創(chuàng)造了有利條件。通過(guò)靜電結(jié)合負(fù)載地塞米松（Dex）后，POCKET能通過(guò)每日電驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)可控的藥物釋放（圖7D，E）。與常規(guī)口服給藥相比，這種局部遞送策略使腎臟的藥物暴露量提升了2.4倍，同時(shí)將血漿藥物濃度降低了99.5%（圖7C），從而在IRI早期顯著減少了腎小管細(xì)胞凋亡與管型形成（圖7J），并在慢性期促進(jìn)了活躍的細(xì)胞增殖與小管再生，有效抑制了纖維化進(jìn)展（圖7K）。治療全程中，POCKET組腎臟的膠原沉積顯著減少，血清肌酐和尿素氮水平也明顯優(yōu)于口服組（圖7L，M）。

更重要的是，POCKET在有效降低腎臟局部CD4+免疫細(xì)胞浸潤(rùn)的同時(shí)（圖7P，Q），維持了胸腺等淋巴器官中CD4+細(xì)胞的正常水平（圖7N，O），成功將免疫抑制效應(yīng)限定于靶器官，進(jìn)而避免了口服糖皮質(zhì)激素常見(jiàn)的全身性副作用，如骨質(zhì)疏松和感染風(fēng)險(xiǎn)增加。綜上所述，POCKET作為一種可長(zhǎng)期植入的平臺(tái)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)局部、精準(zhǔn)且可控的藥物遞送，在有效促進(jìn)腎損傷修復(fù)與功能保護(hù)的同時(shí)，最大程度地規(guī)避了傳統(tǒng)全身給藥的局限性。

圖7. 慢性植入式腎缺血再灌注損傷（IRI）治療
小鼠模型的腎囊袋

總的來(lái)說(shuō)，本研究報(bào)告了一種用于器官共形、剪紙結(jié)構(gòu)電轉(zhuǎn)染（POCKET） 的生物電子貼片。該貼片通過(guò)參數(shù)化定制實(shí)現(xiàn)高共形性，在目標(biāo)器官上達(dá)到了理論最大有效覆蓋面積。四層結(jié)構(gòu)的POCKET在組織-設(shè)備界面形成了一種獨(dú)特的納米孔-細(xì)胞并置構(gòu)型，既能誘導(dǎo)精確、均勻的電穿孔，又能加速有效載荷的細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸。其高遞送效率和精確的空間可控性已在多種器官中得到系統(tǒng)驗(yàn)證。POCKET介導(dǎo)的治療性遞送實(shí)現(xiàn)了對(duì)器官的保護(hù)，使其免受累積性DNA損傷或缺血-再灌注損傷的侵害，從而恢復(fù)了器官功能。這項(xiàng)工作提出了一種具有轉(zhuǎn)化價(jià)值的可定制技術(shù)，可用于挑戰(zhàn)性靶器官的精準(zhǔn)治療。

圖8. 研究模式圖

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