Cell | 突破！北航常凌乾团队研发柔性可植入生物电子贴片，实现时空精准药物递送
2026年1月27日，来自北京航天航空大学常凌乾团队等多个团队合作在Cell上发表了题为”An organ-conformal, kirigami-structured bioelectronic patch for precise intracellular delivery”的研究文章。研究团队提出了一种基于剪纸（kirigami）结构的器官定制化理论，并据此开发了POCKET（用于器官定制化、剪纸结构电转染的生物电子贴片），该贴片通过参数化设计实现与目标器官的无缝贴合，利用纳米孔-细胞紧密对接构型实现了安全、高效、可控的全器官尺度胞内递送，并成功应用于卵巢基因治疗和肾脏药物递送。
南模生物为该研究提供了Dppa3-IRES-Cre（目录号：NM-KI-00040）及Brca1-Flox（目录号：NM-CKO-18007）小鼠模型
传统生物电子贴片在治疗复杂器官疾病时面临三大核心挑战：首先，受限于机械与材料特性，现有装置难以与不规则曲面的器官实现紧密的共形贴合；其次，其庞大的结构导致在组织-设备界面的递送效率与空间可控性严重受限；最后，为提升贴合度而采用的柔性设计往往以牺牲有效覆盖面积为代价，无法实现全器官尺度的高效均匀递送。
因此，开发一种能同时突破“贴不紧、递不准、盖不全”困境，实现器官高共形贴合、最大化功能覆盖、并在全器官层面进行高效、均匀且空间可控的细胞内递送的新型生物电子界面技术，已成为推动精准器官治疗发展的关键突破口。
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器官共形剪纸设计的原理
可穿戴/植入式贴片的共形性有助于其与目标器官的无缝整合。这种整合对于组织-设备界面的正常功能至关重要，特别是对于具有不规则解剖结构（如卵巢-输卵管系统）的器官实现高效且空间可控的细胞内递送。
为增强传统平面器械的共形性并实现全器官表面覆盖，研究团队建立了一套通用的共形性理论，以指导基于剪纸结构的贴片定制化设计（图1A）。该理论的核心在于，通过分析目标器官表面的高斯曲率分布，并建立数学模型，推导出剪纸单元的关键几何参数（长度L与铰链宽度S）与器官曲率半径（R_s）之间的临界关系（图1D-F）。
这一基于定制化剪纸的共形设计原理，成功解决了传统器件在复杂解剖结构器官上难以同时实现高贴合度、大面积覆盖与高效生物界面耦合的长期挑战，为后续在各种器官上进行安全、均匀、可控的全器官尺度递送奠定了理论基础与技术基础。
图1. 基于定量符合性分析的器官定制折纸设计策略
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生物电子POCKET的设计与制备
在通用共形理论的指导下，研究团队开发了生物电子POCKET，专门用于全器官尺度上安全、高效和精准的细胞内递送。POCKET由两个功能模块组成：(1) 定制剪纸结构中的电转染模块，(2) 为电转染供电的无线供电模块（图2A和2B）。电转染模块由四个薄层组装而成：封装层、电极层、药物储库层和纳米孔层（图2C）。含纳米孔的POCKET贴片可在低施加电压（如20 V）下实现精准、安全和可控的细胞电转染，在器官表面达到一致的~80%转染效率（图2E）。
随后，研究团队在新鲜收获的猪卵巢上验证了POCKET的共形性，在特征高斯曲率下，不同剪纸尺寸的器官包裹结果表明，随着L和S减小，器械屈曲和分层引起的水泡数量和尺寸减小，在(L/R_s)_critical = 0.3和(S/L)_critical = 0.018时达到完全共形（图2H, 2I）。同时，φ_eff从未切割平面电转染（平面ET）贴片的~40%增加到POCKET贴片的近97%（图2J）。
图2. 生物电子口袋的整体设计与表征
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POCKET增强全器官的递送效率和均匀性
为验证POCKET在实际复杂器官中的递送性能，研究团队在多种具有不规则曲面结构的器官上进行了系统性评估，包括兔角膜、小鼠肾脏以及猪和人的卵巢。结果显示，与未经切割的平面电转染贴片和非定制化的折纸结构贴片相比，POCKET在所有测试器官表面均实现了高度均匀且强烈的报告分子信号分布 (图3A, 3B)。定量分析表明，POCKET的递送效率在不同器官间稳定在约84%，接近于90.25%的理论最大值，并显著优于两种对照贴片 (图3C)。同时，其递送的有效载荷剂量相比平面贴片和普通折纸贴片分别提高了6倍和3倍，凸显了其高效的递送能力 (图3D)。
随后，研究团队阐明了其优异性能的机制，证明在POCKET的设计参数下，电极间距在30毫米内对递送效率无明显影响，这为在不同尺寸器官上的应用提供了灵活性 (图3J-L)。综上所述，POCKET通过其共形设计、纳米孔-细胞并置界面和优化的电学结构，协同作用，最终实现了在全器官尺度上高效、均匀且空间可控的细胞内递送。
图3. 完全符合性设计实现的高递送效率与口袋均匀性
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POCKET介导的体内全器官基因转染
随后，研究团队系统验证了POCKET在活体全器官转染中的安全性、效率和空间可控性。研究团队将POCKET定制化地贴附于小鼠的一个（左侧）卵巢-输卵管（图4A），通过无线触发荧光蛋白编码质粒（PCMV-GFP和PCMV-mCherry）的电转染，随后进行活体动物监测。结果表明，POCKET处理的小鼠仅在左卵巢和输卵管显示出高度局部化的报告信号，而基于注射的基因转染则导致有效载荷扩散到脱靶器官，并且在靶器官内呈弥散分布（图4B、4C）。接下来，研究团队评估了POCKET转染靶向器官细胞层的可控性，以避免生殖细胞暴露于外源DNA。流式细胞术结果表明，POCKET在卵巢中实现了50%的体内转染效率，在输卵管中实现了55%（图4D, 4E）。
进一步研究显示，POCKET转染的表面细胞细胞外囊泡（EV）分泌增强，质粒衍生mRNA含量显著升高I（图4H-4J）。通过应用外泌体分泌抑制剂（GW4869），研究团队可限制质粒衍生蛋白的位置，确认器官内部的信号是POCKET诱导的含mRNA EV向内传播的结果（图4K, 4L）。基于这些结果，研究团队建立了POCKET介导的卵巢基因治疗策略：使用POCKET将质粒DNA转染到表面体细胞，同时促进EV产生，然后通过EV将质粒衍生mRNA传递到器官内部（图4M）。结合高效电转染的精准可控性与促进含mRNA EV产生的能力，POCKET为卵巢提供了一种安全的基因治疗方法。
图4. 通过囊泡及EV介导的递送策略
实现可控高效的体内基因转染
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POCKET介导的Brca1突变小鼠双链断裂修复
全球范围内，具有BRCA1基因生殖系致病变异的女性遭受双链断裂（DSB）积累和错误修复，显著增加卵巢功能障碍、不孕（主要由于卵母细胞和颗粒细胞老化）甚至卵巢癌（来源于OSE细胞）的风险。通过将功能性BRCA1 DNA拷贝转移到卵巢-输卵管系统的基因治疗旨在纠正BRCA1缺陷并维持表型逆转，即恢复DSB修复的正常功能。为验证这一猜想，研究团队在生殖系Brca1突变（Brca1+/−）小鼠模型中探究了其介导的基因治疗对DNA双链断裂修复功能的恢复作用（图5A-C）。
研究团队首先基于DSB特异性生物标志物γ-H2AX评估DSB积累水平。结果表明，相较于平面ET和非CKET，仅POCKET介导的转染可在卵巢和输卵管中实现显著的BRCA1上调和γ-H2AX下调，DNA损伤减少85%（图5D-5F）。
在不同基因型小鼠中，POCKET治疗使BRCA1严重缺陷的突变小鼠卵巢BRCA1表达提升13倍，将DNA损伤减少95%，使其降至野生型对照水平的50%；在野生型小鼠中也显示出明显的辐射防护效果（图5G-I）。
进一步为期150天的长期观察证实了其癌症预防潜力，一次指定剂量（600 ng）POCKET转染基因治疗药物在小鼠卵巢中的有效持续时间约为150天（图5J）。结果显示，MT-NC组小鼠在治疗后90天内OSE出现异常增生病变（图5K）。所有病变均通过p53、γ-H2AX和CK7阳性信号被鉴定为p53特征，代表上皮源性卵巢癌的早期癌变（图5L）。到第150天，100%（n=22）的MT-NC小鼠发展为卵巢癌（图5M）。相比之下，MT-Brca1小鼠在治疗周期内保持无癌状态，表明POCKET介导的卵巢基因治疗可有效预防癌症。
图5. 通过POCKET介导的基因治疗改善
Brca1突变小鼠的DNA损伤修复功能
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POCKET介导的基因治疗恢复卵巢功能
为评估POCKET介导的Brca1基因治疗对卵巢功能的恢复作用，研究团队在生殖系Brca1突变（Brca1+/−，MT）小鼠中开展了系统性评估（图5A）。结果表明，经POCKET递送Brca1基因治疗后，突变小鼠原本降低的窝产仔数与异常的新生鼠体重均得到显著改善并恢复至野生型水平（图6B, C）。同时，卵巢储备标志物抗缪勒管激素（AMH）在颗粒细胞中的表达显著升高（图6D），血清中雌激素与孕酮水平也恢复正常（图6E, F），提示卵巢内分泌功能获得全面改善。在卵母细胞质量方面，治疗后超数排卵获取的卵母细胞数量显著增加（图6H），体外受精率与囊胚形成率均大幅提升至野生型水平（图6I, J）。全外显子组测序进一步显示，治疗组胚胎的突变负荷显著降低（图6K, L），突变基因总数减少27%（图6M），且生殖系中未检出外源基因整合，证实该疗法在有效恢复卵巢排卵功能与胚胎发育潜能的同时，具备良好的遗传安全性。这些结果共同表明，POCKET介导的Brca1基因治疗不仅能通过纠正DSB修复缺陷来降低癌症风险，还能多方位地恢复卵巢的内分泌功能、卵泡发育、卵母细胞质量及胚胎发育潜能。
图6. 通过POCKET介导的基因治疗改善
Brca1突变小鼠的卵巢功能
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POCKET介导的长期药物递送可维持肾功能
为评估POCKET在慢性疾病治疗中的适用性，研究团队进一步建立了肾脏缺血-再灌注损伤（IRI）模型，探究其长期药物递送效能（图7A）。结果显示，POCKET在肾脏表面可稳定整合超过12周，其完全共形的特性有效减轻了异物反应，仅诱导形成薄层疏松的纤维囊（图7），为持续的药物渗透创造了有利条件。通过静电结合负载地塞米松（Dex）后，POCKET能通过每日电驱动实现精准可控的药物释放（图7D，E）。与常规口服给药相比，这种局部递送策略使肾脏的药物暴露量提升了2.4倍，同时将血浆药物浓度降低了99.5%（图7C），从而在IRI早期显著减少了肾小管细胞凋亡与管型形成（图7J），并在慢性期促进了活跃的细胞增殖与小管再生，有效抑制了纤维化进展（图7K）。治疗全程中，POCKET组肾脏的胶原沉积显著减少，血清肌酐和尿素氮水平也明显优于口服组（图7L，M）。
更重要的是，POCKET在有效降低肾脏局部CD4+免疫细胞浸润的同时（图7P，Q），维持了胸腺等淋巴器官中CD4+细胞的正常水平（图7N，O），成功将免疫抑制效应限定于靶器官，进而避免了口服糖皮质激素常见的全身性副作用，如骨质疏松和感染风险增加。综上所述，POCKET作为一种可长期植入的平台，通过实现局部、精准且可控的药物递送，在有效促进肾损伤修复与功能保护的同时，最大程度地规避了传统全身给药的局限性。
图7. 慢性植入式肾缺血再灌注损伤（IRI）治疗
小鼠模型的肾囊袋
总的来说，本研究报告了一种用于器官共形、剪纸结构电转染（POCKET） 的生物电子贴片。该贴片通过参数化定制实现高共形性，在目标器官上达到了理论最大有效覆盖面积。四层结构的POCKET在组织-设备界面形成了一种独特的纳米孔-细胞并置构型，既能诱导精确、均匀的电穿孔，又能加速有效载荷的细胞内运输。其高递送效率和精确的空间可控性已在多种器官中得到系统验证。POCKET介导的治疗性递送实现了对器官的保护，使其免受累积性DNA损伤或缺血-再灌注损伤的侵害，从而恢复了器官功能。这项工作提出了一种具有转化价值的可定制技术，可用于挑战性靶器官的精准治疗。
图8. 研究模式图
关于我们
上海南方模式生物科技股份有限公司（Shanghai Model Organisms Center, Inc.，简称"南模生物"），成立于2000年9月，是一家上交所科创板上市高科技生物公司（股票代码：688265），始终以编辑基因、解码生命为己任，专注于模式生物领域，打造了以基因修饰动物模型研发为核心，涵盖多物种模型构建、饲养繁育、表型分析、药物临床前评价等多个技术平台，致力于为全球高校、科研院所、制药企业等客户提供全方位、一体化的基因修饰动物模型产品解决方案。
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