柔性可穿戴生物醫(yī)學芯片目前主要可應用于：1）皮膚或器官生理信號傳感器；2）透皮給藥、在體基因轉染（圖1）。近年來，微納米技術的發(fā)展，使可穿戴傳感器在單細胞精度上進行長時間、實時生理參數(shù)的檢測。另一方面，基于微納米結構的在體透皮遞送系統(tǒng)可以實現(xiàn)精確分子遞送，包括小分子（如葡萄糖等）和大分子（如蛋白，質(zhì)粒等）。最新報道的一些納米轉染芯片可以有效地表貼于皮膚上，并在單細胞精度上進行基因轉染。與常規(guī)方法相比，納米芯片的轉染效率、安全性和劑量可控性都具有顯著優(yōu)勢。

圖1 可佩戴單細胞傳感器和單細胞基因轉染芯片

北京航空航天大學常凌乾教授（第一作者）、樊瑜波教授（通訊作者），休斯敦大學余存江教授（通訊作者），內(nèi)布拉斯加大學楊瑞國教授（通訊作者），北德克薩斯大學醫(yī)學院Yu-Chieh Wang教授聯(lián)合在Cell Press著名綜述期刊《Trends in Biotechnology》上發(fā)表論文，評論和展望了單細胞傳感和基因轉染佩戴式生物芯片的研究。北航生物醫(yī)學與工程學院為第一單位。

第一部分總結了單細胞檢測的佩戴式傳感芯片。理論上講，傳感器敏感區(qū)域尺寸決定了是否可以檢測單細胞。設計細胞尺寸（10~100 μm）的敏感區(qū)域，嚴格控制敏感膜與細胞之間的距離，即目標分子（如細胞激素、多肽、神經(jīng)遞質(zhì)等）的傳遞距離，可有效提高傳感器的信噪比（S/N）。除此之外，傳感器材料也是構建單細胞傳感器的重要條件：基底材料直接決定了傳感器與皮膚或器官的接觸性；生物敏感膜材料決定了傳感器的靈敏度、準確度和長時間工作可靠性。綜述總結了最新報道的具有單細胞精度傳感器的原理、器件性能和功能、檢測細胞種類和信號類別等（圖2）。

圖2 有望具備單細胞精度的可穿戴傳感器。（a）可從皮膚細胞檢測到的代表性信號。（b）rGO/FeTCPs FET傳感器用于單細胞精度NO檢測；（c）基于CNT/PDMS的ECG電極；（d）基于微流控的單細胞檢測芯片。

第二部分聚焦于在體透皮藥物遞送和基因轉染芯片系統(tǒng)。常規(guī)的透皮系統(tǒng)僅可用于遞送易被表皮細胞、真皮細胞吸收的小分子物質(zhì)，如葡萄糖、胰島素等。大分子質(zhì)粒、核酸等，由于很難直接進入細胞內(nèi)，常規(guī)遞送系統(tǒng)往往導致很低的效率。最新微納米生物芯片可以單細胞精度上直接進行在體大分子遞送或基因轉染。綜述總結了兩種基于物理方法的可表貼佩戴式的細胞基因轉染系統(tǒng)，即納米電穿孔基因轉染技術和納米針尖系統(tǒng)，并討論了各自的優(yōu)缺點和應用范圍（圖3）。

圖3 單細胞精度的在體基因轉染芯片。（a）一種可以直接貼皮的聚合物柔性微針陣列可用于在體電穿孔；（b）可降解納米硅針陣列用于在體核酸遞送；（c）硅基納米通道電穿孔技術用于在體細胞重編程。

最后，對該領域研究進行展望，提出5個關鍵問題，包括，如何設計敏感膜以實現(xiàn)單細胞精度；如何確保在佩戴和檢測過程中皮膚和敏感膜的有效接觸；如何微型化遞送系統(tǒng)以實現(xiàn)單細胞基因轉染；如果在深層皮膚內(nèi)達到具有治療效果的遞送和轉染；如何整合芯片系統(tǒng)實現(xiàn)多種功能等。

文章檢索：

L. Chang, Y. Wang, F. Ershad, R. Yang, C. Yu, Y. Fan, Wearable Devices for Single Cell Sensing and Transfection.Trends in Biotechnology, 2019, DOI: 10.1016/j.tibtech.2019.04.001

課題組簡介：

常凌乾博士，現(xiàn)為北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院教授，醫(yī)工交叉高精尖中心單細胞分析納米技術研究所（INSCA）執(zhí)行副所長。曾擔任美國北德克薩斯大學（University of North Texas）生物醫(yī)學工程系助理教授（Tenure Track），入選2017年中組部‘青年千人計劃’。

課題組研究聚焦于單細胞基因轉染技術、細胞微操縱技術、細胞基因檢測、治療等技術的研究。近五年在國際知名期刊發(fā)表SCI論文50篇，如Nature Nanotechnology, Nano Letters, Small等。