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  單細胞納米封裝（Single Cell Nanoencapsulation），即將單個細胞包裹在納米尺度的封裝層內。相比于傳統的細胞微膠囊封裝技術，納米尺度的封裝層能有效提高氧氣、營養物質的交換效率，防止細胞缺氧以及細胞饑餓的發生，從而有效維持細胞活性和各項生物學功能。單細胞納米封裝技術在細胞治療、組織工程以及細胞生物學分析領域具有重要作用。然而，采用傳統方法構建的單細胞納米封裝系統，封裝層結構松散，封裝持續效果短，難以滿足長期免疫隔離和細胞保護的目的。此外，封裝細胞的“on-site”釋放亦未見報道。

圖 1. 單細胞納米封裝系統

  近日，日本國立物質材料研究機構（NIMS）陳國平教授和福州大學楊建民副教授將傳統層層自組裝法（LbL）與硫醇—馬來酰亞胺（Thiol-MAL）反應相結合，在單個哺乳動物細胞表面構建了酶響應性的納米封裝層。研究首先將帶有相反電荷的聚乙二醇—馬來酰亞胺（PEG-MAL）修飾的明膠分子通過靜電相互作用沉積在細胞表面，形成明膠高分子膜。隨后，將兩端為半胱氨酸的合成肽鏈引入到明膠高分子膜中，利用半胱氨酸上的Thiol基團與明膠上的MAL基團反應形成結構穩定的納米封裝層。由于合成的肽鏈能夠被基質金屬蛋白酶-7（MMP-7）酶解，因此當細胞封裝系統處于高濃度MMP-7環境時，封裝層隨之解離從而實現細胞的釋放。MMP-7通常在炎癥和腫瘤區域過量表達，因此該單細胞納米封裝系統有望用于細胞治療特別是基于細胞的腫瘤治療。

圖 2. 酶響應性單細胞納米封裝系統

  該方法采用的反應條件十分溫和，封裝效率高，構建的單HeLa和hMSC細胞納米封裝系統均表現出較高的細胞存活率。

圖 3. 單細胞納米封裝效果表征

  胰蛋白酶攻擊試驗發現，相對于裸露的細胞，封裝后的細胞具有較高的存活率，這主要是由于封裝層自身結構的尺寸排阻效應阻擋了胰蛋白酶的滲透，該效應有望解決細胞治療過程中的免疫排斥反應；此外，封裝后的細胞在高速離心力作用下仍具有較高的存活率，這是因為納米封裝層能夠保護細胞膜的完整性同時防止細胞溶質分子的外漏，該效應可以避免細胞在注射以及血管內流通過程中受到剪切力而造成的低細胞存活率。

圖 4. 納米封裝層的細胞保護能力測試

  對封裝后的細胞進行培養發現，HeLa和hMSC細胞表面的納米封裝層分別在4天和8天的時候都能保持完整，且封裝細胞始終處于未增殖狀態。此外，封裝細胞在接觸高濃度的MMP-7酶溶液時能夠緩慢釋放，且釋放后的細胞活性、增殖能力以及hMSC細胞的干細胞功能未收到封裝和酶解過程的影響。

圖 5. 納米封裝持續時間和酶響應釋放

  該項成果以“Encapsulation of individual living cells with enzyme responsive polymer nanoshell”為題在線發表在生物材料領域一流期刊Biomaterials上，第一作者為楊建民副教授，通訊作者為陳國平教授。該研究工作得到了日本JSPS（No. 18K19947和No. 18K19945），中國國家自然科學基金（31800796）以及福州大學“旗山學者（海外項目）”（GXRC-17049）的資助。

  在此之前，兩位作者分別采用原位聚合反應，層層自組裝法結合點擊化學反應，在單細胞表面構建了納米尺度的高分子膜，相關結果發表在J Mater Chem B和Biomaterials期刊上。該系列研究成果豐富了單個哺乳動物細胞的納米封裝方法，在細胞治療、細胞傳輸、細胞傳感器以及單細胞水平生物學分析等領域具有重要應用價值。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014296121930050X

相關論文

1. J Yang, Y. Yang, N Kawazoe, G Chen*, Encapsulation of individual living cells with enzyme responsive polymer nanoshell, Biomaterials 2019, DOI: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2019.01.029.

2. J Yang, J Li, X Li, X Wang, Y. Yang, N Kawazoe, G Chen*, Nanoencapsulation of individual mammalian cells with cytoprotective polymer shell, Biomaterials 2017, 133, 253-262.

3. J Yang, J Li, X Wang, X Li, N Kawazoe, G Chen*, Single mammalian cell encapsulation by in situ polymerization, J Mater Chem B 2016, 4, 7662-7668.