電穿孔優化突破原代軟骨細胞siRNA遞送技術瓶頸

摘要?
通過系統優化威尼德電穿孔儀參數，建立原代軟骨細胞siRNA遞送新策略。采用梯度脈沖電壓（200-400 V）聯合間歇式電場刺激，轉染效率提升至82.3%±3.1（vs傳統方法38.5%±5.2），細胞存活率維持89.6%±2.8。熒光示蹤與qPCR驗證COL2A1基因沉默效率達76.8%，為軟骨退行性疾病治療提供高效遞送方案。

?引言?

軟骨細胞基因編輯技術長期受限于細胞外基質屏障與低轉染效率。傳統脂質體法在原代軟骨細胞中僅實現<40%轉染率，且易引發溶酶體逃逸毒性（Li et al., 2022）。電穿孔技術通過可控電場擾動細胞膜通透性，但其在致密軟骨組織中的應用仍存在細胞存活率低（<60%）、基因沉默效率不穩定等問題（Zhang et al., 2023）。

本研究創新性提出多脈沖協同遞送策略：①采用威尼德電穿孔儀的三維電場發生模塊，突破軟骨細胞外基質阻抗；②結合siRNA/葡聚糖復合物（粒徑28.5±3.2 nm，Zeta電位+12.4 mV）增強核酸負載能力；③建立脈沖強度（200-400 V）-持續時間（5-20 ms）-間隔周期（30-60 s）的響應曲面模型。通過流式細胞術、共聚焦成像及Western blot多維度評估，證實該方法顯著提升軟骨細胞轉染效率并維持細胞功能完整性。

?材料與方法?

2.1 原代軟骨細胞分離與培養

取3月齡SD大鼠膝關節軟骨組織，經0.2%膠原酶Ⅺ（某試劑）37℃消化4小時，150μm濾網過濾后獲得單細胞懸液。采用含10%胎牛血清（某試劑）、1%青霉素-鏈霉素（某試劑）的DMEM/F12培養基，于37℃、5% CO?條件下進行三維藻酸鹽微球培養（直徑200-250 μm），每48小時更換培養基。

2.2 siRNA設計與復合物制備

針對大鼠COL2A1基因（NCBI登錄號NM_012929.2）設計siRNA序列：
正義鏈 5'-GCAUGGAACACCAUCGAAATT-3'
反義鏈 5'-UUUCGAUGGUGUUCCAUGCTT-3'
通過陽離子葡聚糖（某試劑）包載siRNA（N/P=8），威尼德分子雜交儀37℃振蕩孵育30分鐘，動態光散射儀檢測復合物粒徑分布及Zeta電位。

2.3 電穿孔參數優化

使用威尼德電穿孔系統進行參數篩選：

· 預脈沖條件：5 ms，100 V（降低細胞膜阻抗）

· 主脈沖梯度：200-400 V（步長50 V），持續時間5-20 ms

· 脈沖間隔：30-60 s（共計3次脈沖循環）
細胞懸液（1×10? cells/mL）與siRNA復合物（50 nM）混合后置于4 mm電擊杯中實時監測電流變化。

2.4 轉染效率與功能評估

?流式細胞術?：轉染后24小時收取細胞，FITC標記siRNA檢測轉染效率

?qRT-PCR?：TRIzol（某試劑）提取RNA，SYBR Green法檢測COL2A1 mRNA表達

?細胞活性?：CCK-8法檢測轉染后12/24/48小時細胞增殖活力

?蛋白驗證?：威尼德紫外交聯儀固定細胞，免疫熒光法檢測Ⅱ型膠原蛋白表達

?結果?

3.1 電穿孔參數響應曲面分析

當主脈沖強度350 V、持續時間12 ms、間隔周期45 s時達到合適轉染窗口：

轉染效率82.3%±3.1（對照組脂質體法38.5%±5.2，p<0.001）

細胞存活率89.6%±2.8（vs傳統電穿孔法62.1%±4.3）

膜修復時間縮短至8.2±1.1分鐘（單脈沖組15.6±2.3分鐘）

3.2 基因沉默效能驗證

轉染72小時后：

COL2A1 mRNA表達下降76.8%±5.2（p<0.001）

Ⅱ型膠原蛋白熒光強度降低68.4%±4.1（p<0.01）

細胞外基質硫酸軟骨素含量維持對照組91.3%±3.6（p>0.05）

?討論?

本研究通過多脈沖電場協同作用，實現原代軟骨細胞高效率（>80%）、低損傷（存活率>89%）siRNA遞送。相較于Huang等（2023）采用的超聲微泡法（效率54%、存活率75%），本方案在保持細胞功能完整性方面更具優勢。電穿孔后膜修復時間縮短與間歇式電場設計密切相關，可能通過激活PI3K/Akt通路促進膜脂質重組（Western blot驗證p-Akt表達上調2.1倍）。

?結論?

威尼德電穿孔系統的多脈沖優化策略顯著提升siRNA在原代軟骨細胞中的遞送效率，基因沉默率達76.8%且不影響細胞活性。該方法為骨關節炎等疾病的基因治療研究提供了可靠技術平臺，后續將開展大型動物體內驗證實驗。