小鼠模型在柔性可植入生物電子貼片POCKET研發(fā)中的應用

2026年1月27日，來自北京航天航空大學常凌乾團隊等多個團隊合作在Cell上發(fā)表了題為”An organ-conformal, kirigami-structured bioelectronic patch for precise intracellular delivery”的研究文章。研究團隊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），該貼片通過參數(shù)化設計實現(xiàn)與目標器官的無縫貼合，利用納米孔-細胞緊密對接構(gòu)型實現(xiàn)了安全、高效、可控的全器官尺度胞內(nèi)遞送，并成功應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：NM-KI-00040）及Brca1-Flox（目錄號：NM-CKO-18007）小鼠模型

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

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

1 器官共形剪紙設計的原理
可穿戴/植入式貼片的共形性有助于其與目標器官的無縫整合。這種整合對于組織-設備界面的正常功能至關(guān)重要，特別是對于具有不規(guī)則解剖結(jié)構(gòu)（如卵巢-輸卵管系統(tǒng)）的器官實現(xiàn)高效且空間可控的細胞內(nèi)遞送。

為增強傳統(tǒng)平面器械的共形性并實現(xiàn)全器官表面覆蓋，研究團隊建立了一套通用的共形性理論，以指導基于剪紙結(jié)構(gòu)的貼片定制化設計（圖1A）。該理論的核心在于，通過分析目標器官表面的高斯曲率分布，并建立數(shù)學模型，推導出剪紙單元的關(guān)鍵幾何參數(shù)（長度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計原理，成功解決了傳統(tǒng)器件在復雜解剖結(jié)構(gòu)器官上難以同時實現(xiàn)高貼合度、大面積覆蓋與高效生物界面耦合的長期挑戰(zhàn)，為后續(xù)在各種器官上進行安全、均勻、可控的全器官尺度遞送奠定了理論基礎與技術(shù)基礎。
 

圖1. 基于定量符合性分析的器官定制折紙設計策略

2 生物電子POCKET的設計與制備
在通用共形理論的指導下，研究團隊開發(fā)了生物電子POCKET，專門用于全器官尺度上安全、高效和精準的細胞內(nèi)遞送。POCKET由兩個功能模塊組成：(1) 定制剪紙結(jié)構(gòu)中的電轉(zhuǎn)染模塊，(2) 為電轉(zhuǎn)染供電的無線供電模塊（圖2A和2B）。電轉(zhuǎn)染模塊由四個薄層組裝而成：封裝層、電極層、藥物儲庫層和納米孔層（圖2C）。含納米孔的POCKET貼片可在低施加電壓（如20 V）下實現(xiàn)精準、安全和可控的細胞電轉(zhuǎn)染，在器官表面達到一致的~80%轉(zhuǎn)染效率（圖2E）。

隨后，研究團隊在新鮮收獲的豬卵巢上驗證了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時達到完全共形（圖2H, 2I）。同時，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計與表征

3 POCKET增強全器官的遞送效率和均勻性
為驗證POCKET在實際復雜器官中的遞送性能，研究團隊在多種具有不規(guī)則曲面結(jié)構(gòu)的器官上進行了系統(tǒng)性評估，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在所有測試器官表面均實現(xiàn)了高度均勻且強烈的報告分子信號分布 (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)于兩種對照貼片 (圖3C)。同時，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，研究團隊闡明了其優(yōu)異性能的機制，證明在POCKET的設計參數(shù)下，電極間距在30毫米內(nèi)對遞送效率無明顯影響，這為在不同尺寸器官上的應用提供了靈活性 (圖3J-L)。綜上所述，POCKET通過其共形設計、納米孔-細胞并置界面和優(yōu)化的電學結(jié)構(gòu)，協(xié)同作用，最終實現(xiàn)了在全器官尺度上高效、均勻且空間可控的細胞內(nèi)遞送。

圖3. 完全符合性設計實現(xiàn)的高遞送效率與口袋均勻性

4 POCKET介導的體內(nèi)全器官基因轉(zhuǎn)染
隨后，研究團隊系統(tǒng)驗證了POCKET在活體全器官轉(zhuǎn)染中的安全性、效率和空間可控性。研究團隊將POCKET定制化地貼附于小鼠的一個（左側(cè)）卵巢-輸卵管（圖4A），通過無線觸發(fā)熒光蛋白編碼質(zhì)粒（PCMV-GFP和PCMV-mCherry）的電轉(zhuǎn)染，隨后進行活體動物監(jiān)測。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告信號，而基于注射的基因轉(zhuǎn)染則導致有效載荷擴散到脫靶器官，并且在靶器官內(nèi)呈彌散分布（圖4B、4C）。接下來，研究團隊評估了POCKET轉(zhuǎn)染靶向器官細胞層的可控性，以避免生殖細胞暴露于外源DNA。流式細胞術(shù)結(jié)果表明，POCKET在卵巢中實現(xiàn)了50%的體內(nèi)轉(zhuǎn)染效率，在輸卵管中實現(xiàn)了55%（圖4D, 4E）。

進一步研究顯示，POCKET轉(zhuǎn)染的表面細胞細胞外囊泡（EV）分泌增強，質(zhì)粒衍生mRNA含量顯著升高I（圖4H-4J）。通過應用外泌體分泌抑制劑（GW4869），研究團隊可限制質(zhì)粒衍生蛋白的位置，確認器官內(nèi)部的信號是POCKET誘導的含mRNA EV向內(nèi)傳播的結(jié)果（圖4K, 4L）。基于這些結(jié)果，研究團隊建立了POCKET介導的卵巢基因治療策略：使用POCKET將質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)染到表面體細胞，同時促進EV產(chǎn)生，然后通過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)染的精準可控性與促進含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. 通過囊泡及EV介導的遞送策略
實現(xiàn)可控高效的體內(nèi)基因轉(zhuǎn)染

5 POCKET介導的Brca1突變小鼠雙鏈斷裂修復
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）積累和錯誤修復，顯著增加卵巢功能障礙、不孕（主要由于卵母細胞和顆粒細胞老化）甚至卵巢癌（來源于OSE細胞）的風險。通過將功能性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DSB修復的正常功能。為驗證這一猜想，研究團隊在生殖系Brca1突變（Brca1+/−）小鼠模型中探究了其介導的基因治療對DNA雙鏈斷裂修復功能的恢復作用（圖5A-C）。

研究團隊首先基于DSB特異性生物標志物γ-H2AX評估DSB積累水平。結(jié)果表明，相較于平面ET和非CKET，僅POCKET介導的轉(zhuǎn)染可在卵巢和輸卵管中實現(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嚴重缺陷的突變小鼠卵巢BRCA1表達提升13倍，將DNA損傷減少95%，使其降至野生型對照水平的50%；在野生型小鼠中也顯示出明顯的輻射防護效果（圖5G-I）。

進一步為期150天的長期觀察證實了其癌癥預防潛力，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p53、γ-H2AX和CK7陽性信號被鑒定為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)保持無癌狀態(tài)，表明POCKET介導的卵巢基因治療可有效預防癌癥。
 

圖5. 通過POCKET介導的基因治療改善
Brca1突變小鼠的DNA損傷修復功能

6 POCKET介導的基因治療恢復卵巢功能
為評估POCKET介導的Brca1基因治療對卵巢功能的恢復作用，研究團隊在生殖系Brca1突變（Brca1+/−，MT）小鼠中開展了系統(tǒng)性評估（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至野生型水平（圖6B, C）。同時，卵巢儲備標志物抗繆勒管激素（AMH）在顆粒細胞中的表達顯著升高（圖6D），血清中雌激素與孕酮水平也恢復正常（圖6E, F），提示卵巢內(nèi)分泌功能獲得全面改善。在卵母細胞質(zhì)量方面，治療后超數(shù)排卵獲取的卵母細胞數(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）。全外顯子組測序進一步顯示，治療組胚胎的突變負荷顯著降低（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，證實該療法在有效恢復卵巢排卵功能與胚胎發(fā)育潛能的同時，具備良好的遺傳安全性。這些結(jié)果共同表明，POCKET介導的Brca1基因治療不僅能通過糾正DSB修復缺陷來降低癌癥風險，還能多方位地恢復卵巢的內(nèi)分泌功能、卵泡發(fā)育、卵母細胞質(zhì)量及胚胎發(fā)育潛能。

圖6. 通過POCKET介導的基因治療改善
Brca1突變小鼠的卵巢功能

7 POCKET介導的長期藥物遞送可維持腎功能
為評估POCKET在慢性疾病治療中的適用性，研究團隊進一步建立了腎臟缺血-再灌注損傷（IRI）模型，探究其長期藥物遞送效能（圖7A）。結(jié)果顯示，POCKET在腎臟表面可穩(wěn)定整合超過12周，其完全共形的特性有效減輕了異物反應，僅誘導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。通過靜電結(jié)合負載地塞米松（Dex）后，POCKET能通過每日電驅(qū)動實現(xiàn)精準可控的藥物釋放（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胞凋亡與管型形成（圖7J），并在慢性期促進了活躍的細胞增殖與小管再生，有效抑制了纖維化進展（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+免疫細胞浸潤的同時（圖7P，Q），維持了胸腺等淋巴器官中CD4+細胞的正常水平（圖7N，O），成功將免疫抑制效應限定于靶器官，進而避免了口服糖皮質(zhì)激素常見的全身性副作用，如骨質(zhì)疏松和感染風險增加。綜上所述，POCKET作為一種可長期植入的平臺，通過實現(xiàn)局部、精準且可控的藥物遞送，在有效促進腎損傷修復與功能保護的同時，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

總的來說，本研究報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。該貼片通過參數(shù)化定制實現(xiàn)高共形性，在目標器官上達到了理論最大有效覆蓋面積。四層結(jié)構(gòu)的POCKET在組織-設備界面形成了一種獨特的納米孔-細胞并置構(gòu)型，既能誘導精確、均勻的電穿孔，又能加速有效載荷的細胞內(nèi)運輸。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)驗證。POCKET介導的治療性遞送實現(xiàn)了對器官的保護，使其免受累積性DNA損傷或缺血-再灌注損傷的侵害，從而恢復了器官功能。這項工作提出了一種具有轉(zhuǎn)化價值的可定制技術(shù)，可用于挑戰(zhàn)性靶器官的精準治療。

圖8. 研究模式圖

關(guān)于我們
上海南方模式生物科技股份有限公司（Shanghai Model Organisms Center, Inc.，簡稱"南模生物"），成立于2000年9月，是一家上交所科創(chuàng)板上市高科技生物公司（股票代碼：688265），始終以編輯基因、解碼生命為己任，專注于模式生物領(lǐng)域，打造了以基因修飾動物模型研發(fā)為核心，涵蓋多物種模型構(gòu)建、飼養(yǎng)繁育、表型分析、藥物臨床前評價等多個技術(shù)平臺，致力于為全球高校、科研院所、制藥企業(yè)等客戶提供全方位、一體化的基因修飾動物模型產(chǎn)品解決方案。