在过去的二十年里，生物物理学(biophysics)和生物技术(biotechnology)领域取得了显著进展，使得我们能够更加可控和量化地研究细胞和亚细胞现象。然而，将极小量的试剂精确地传递到细胞的近场(near-field)，并且具有微米级的空间精度(spatial precision)和毫秒级的时间分辨率(time resolution)，目前还是一个挑战。
2月12日发表于NATURE METHODS的研究“A paintbrush for delivery of nanoparticles and molecules to live cells with precise spatiotemporal control”介绍了一种名为μkiss的新型微流控技术，它允许研究人员以前所未有的空间和时间精度，将纳米粒子和分子精准地传递到活细胞中。μkiss技术利用基于微量吸管(micropipette-based)的方案，通过细微的喷流(perfusion flow)在活细胞膜上"刷"上一层小分子和纳米粒子。这种方法的特点是利用一个限定在飞升(subfemtoliter)容积内的流动来实现，通过实验和模型(characterization)的双重验证，展示了其优良的一致性。该技术的应用包括直接量化局部和远程膜的流动性(mobility)和组织(organization)，以及探测细胞间力信号(intercellular force signaling)的动态变化。
μkiss技术的发展，不仅为我们提供了一种在细胞生物学(cell biology)领域内，对单个细胞表面区域进行特定物质传递的新方法，还为细胞过程的新型和更精确的研究打开了大门。这种技术的实现简单且成本低廉，完全兼容常规的开放式培养皿(open-dish preparations)，无需微加工步骤(microfabrication steps)，易于在大多数生物学实验室中采用。
Highlights
精确的空间和时间控制：μkiss技术实现了在活细胞近场(near-field)的微米级空间精度(spatial precision)和毫秒级时间分辨率(time resolution)下，对小分子和纳米粒子的精准传递。这一点对于研究细胞表面的特定区域和瞬时过程至关重要。
非接触式传递：与传统的微注射(microinjection)或电穿孔(electroporation)等技术相比，μkiss提供了一种非接触式的传递方式，减少了对细胞的物理干扰，保持了细胞的完整性和活性。
广泛的应用潜力：该技术不仅可以用于研究膜蛋白(membrane proteins)的动态和细胞间的信号传递，还可以应用于细胞内部结构和功能的研究，如细胞骨架(cytoskeleton)的组织和动态变化，以及细胞与外界物质的相互作用。
兼容性和可及性：μkiss技术不需要复杂的微加工步骤，可与传统的开放式细胞培养方法(open-dish cell cultures)兼容，易于在多数生物实验室中实施，大大降低了技术门槛和成本。
高度的自定义能力：通过调整微量吸管(micropipettes)的几何形状和流动参数，研究者可以根据具体的实验需求，对传递系统进行优化和定制，以适应不同的研究目标和条件。
Strategies
微量吸管(micropipette)的设计与制作：研究团队设计并制作了一种基于微量吸管的装置，该装置由两个微量吸管组成，用于创建一个非常精细的流体流。这些微量吸管通过热拉伸(heat-pulled)工艺制成，具有微米级的内径(内部直径约为1-6微米)和尖端，以实现高度精准的流体控制。
流体的限制与控制：利用两个微量吸管形成的结构，一个用于注射(injection)试剂，另一个用于吸收(aspiration)流体，从而在两个吸管之间形成一个高度限制的流体流(femtoliter volume flow)。通过精确控制流体的注射和吸收速率，研究者能够在活细胞的近场创建一个稳定且高度局限的反应环境。
空间和时间的精确控制：通过调整微量吸管的位置和流体的流速，研究者能够在细胞表面或预定位置以微米级的空间精度和毫秒级的时间分辨率，精准地传递试剂。这种控制使得研究者可以针对特定的细胞结构或过程，进行非接触式的精确操作。
实验与模型验证：研究团队通过一系列的实验和数值模拟(numerical simulations)来验证μkiss技术的性能。这包括对流体动力学(fluid dynamics)进行建模，以理解流体在微量吸管间的行为，以及实验中使用荧光标记的纳米粒子来观察和量化流体的实际流动和传递效果。
广泛的生物学应用：利用μkiss技术，研究团队展示了其在多个生物学应用中的有效性，包括在活细胞膜上精确传递小分子和纳米粒子，以及探究细胞骨架(cytoskeleton)动态、膜蛋白(membrane proteins)的局部行为等。
Advancements
流体动力学验证(Fluid Dynamics Validation)：通过实验和数值模拟(numerical simulations)，研究团队展示了μkiss技术能够在微量吸管间形成一个高度限制且可控的流体流。实验结果与模拟数据表现出良好的一致性，证明了μkiss技术在控制流体动力学方面的有效性和精确性。
空间和时间控制的精确性(Spatial and Temporal Precision)：通过调整微量吸管的位置和流体流速，该技术实现了在活细胞表面的微米级空间精度(spatial precision)和毫秒级时间分辨率(time resolution)。这种高度的控制能力为研究细胞表面的局部反应和动态过程提供了必要的工具。
在活细胞膜上的应用(Applications on Live Cell Membranes)：利用μkiss技术，研究团队成功地在活细胞膜上精确传递了小分子和纳米粒子。这包括对膜蛋白(membrane proteins)的局部标记(local labeling)和细胞骨架(cytoskeleton)动态的研究，展示了μkiss技术在细胞生物学研究中的广泛应用潜力。
对细胞功能的影响(Impact on Cellular Functions)：研究表明，μkiss技术可以用来研究细胞内部的力信号传递(intercellular force signaling)和膜组织(membrane organization)等关键生物学过程。例如，通过精确控制药物或其他小分子的局部传递，研究团队能够观察到细胞骨架的即时响应和调整。
非接触式传递的优势(Advantages of Non-contact Delivery)：与传统的微注射(microinjection)或电穿孔(electroporation)等方法相比，μkiss技术提供了一种非接触式的试剂传递方式，能够在不破坏细胞完整性的情况下，实现对细胞局部区域的精确干预。这种方法减少了对细胞活性的干扰，为细胞功能研究提供了一种更为温和和精确的手段。
技术的可及性和兼容性(Accessibility and Compatibility)：μkiss技术的实现简单且成本低廉，无需复杂的微加工步骤，可以轻松集成到现有的细胞培养和显微观察系统中。这一点大大降低了技术门槛，使得更多的实验室能够利用这一技术进行细胞生物学的研究。
μkiss的流体控制（Credit: Nature Methods）
Prospects
长期影响研究：目前的研究主要集中在短期内对细胞功能的影响，未来研究需要探索μkiss技术对细胞长期生存和功能的影响，以及是否会引发任何不利的细胞反应。
传递效率的优化：虽然μkiss技术能够实现高度精准的空间和时间控制，但如何进一步优化传递效率，尤其是在传递大分子或复杂生物大分子时，仍然是一个挑战。
流体动力学参数的深入研究：流体的流动特性对于μkiss技术的效果至关重要。未来的研究需要更深入地探讨不同流体动力学参数（如流速、压力、微量吸管间距等）对试剂传递效果的影响。
不同细胞类型的适应性：目前的研究主要在特定类型的细胞上进行，需要进一步验证μkiss技术在不同细胞类型，包括原代细胞(primary cells)和难以培养的细胞，上的适用性和效果。
与其他技术的集成：如何将μkiss技术与现有的生物技术手段（如CRISPR基因编辑、单细胞测序等）相结合，以实现更复杂的细胞操作和功能研究，是一个值得探索的问题。
生物安全性和伦理问题：任何新技术的应用都需要考虑其生物安全性和潜在的伦理问题。对于μkiss技术，未来研究需要全面评估其对细胞和组织的安全性，以及在临床应用前需解决的伦理问题。
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41592-024-02177-x
Holler C, Taylor RW, Schambony A, Möckl L, Sandoghdar V. A paintbrush for delivery of nanoparticles and molecules to live cells with precise spatiotemporal control. Nat Methods. 2024 Feb 12. doi: 10.1038/s41592-024-02177-x. Epub ahead of print. PMID: 38347139.
