研究人员证明，通过化学“纳米爆破”在细胞膜上形成一个洞，是将治疗小分子、蛋白和DNA送到活体细胞中的一项新技术。通过激光将碳纳米粒子激活并形成爆破，在细胞膜上开一个足以让细胞外液里的分子进入细胞的小洞。通过调节激光的强度，研究人员将一个小分子标记化合物送入90%的靶细胞中，而90%以上的细胞仍然存活。

　　这项研究是有美国国家卫生研究院、乔治亚理工大学造纸科学技术研究所资助，并将在《自然•纳米技术》上发表。

　　“这项技术可以让我们开展多种目前没办法让药物进入细胞的治疗。”化学与生物分子工程学院教授马克•普劳斯尼茨说。“这项技术的最大用途可能就是用在疗效好但目前很难将DNA和RNA送到细胞内的基因治疗了。”

　　这项研究被认为是第一次通过激光激活碳纳米粒子用于医疗。这项技术被用于人类之前还需要进行更多的研究和临床实验。

　　研究人员已经花了几十年时间，并采用了多种方法试图让DNA和RNA能有效地进入到细胞里，包括用病毒装载遗传物质到细胞里；用化学物质包裹DNA和RNA或利用电场和超声波来打开细胞膜。然而，过去这些方法效果不理想而且还有安全隐患。随着早期在所谓的“光声效应”研究取得的这项新技术，普劳斯尼茨和他的研究小组希望通过这项技术能更好地把能量集中用到细胞膜上，建立一个安全、有效的细胞内药物释放技术。

　　这项技术开始是将直径为25纳米的炭黑粒子引入到细胞外液中并随即引入药物。然后通过飞秒激光产生的近红外光以每秒9000万次的脉冲轰击细胞外液。碳纳米粒子吸收这些光后就会产生热量，并使周围液体产生蒸汽。蒸汽与碳纳米粒子互相作用形成氢气和一氧化碳。这两种气体随着激光提供的能量而形成不断增大的气泡。气泡会在激光停止发射情况下突然破裂，并产生一个让周围细胞的细胞膜穿洞的冲击波。细胞外液的药物通过这个开口就可以进入到细胞里面去，而这个洞口可以快速闭合，细胞可以继续生存。研究人员证明，通过这种技术可以让小分子钙黄绿素、牛血清白蛋白和质粒DNA进入到人类前列腺癌细胞和小鼠的胶质肉瘤细胞里去。在90%以上细胞可以存活的激光能量作用下，可以看到90%的细胞摄取到了钙黄绿素。

　　“我们可以让几乎所有的细胞在继续存活情况下摄取这些正常情况下不能进入细胞里的分子。”研究人员说。“我们的激光激活碳纳米粒子技术可以控制气泡破裂的程度，使得细胞膜上的开洞刚好能让这些分子进入，而不会造成细胞长久的损害。”

　　为了测量细胞膜上的洞口能开放多长时间，研究人员让激光停止照射后1秒钟在细胞外液中加进药物。他们看到，细胞几乎没有摄取到这些药物，说明细胞会很快愈合。为了证明碳-蒸汽反应是产生纳米爆破的关键因素，研究人员用金纳米粒子替代碳纳米粒子作了实验。由于缺少了反应所需要的碳，金纳米粒子只让细胞摄取了很少的药物分子。同样，用碳纳米管替代碳纳米粒子细胞摄取药物也不多，说明碳纳米管相比碳黑粒子来说效果也不明显。实验进一步证明，通过激光激活技术将DNA送进细胞，仍能保留DNA的作用和表达能力。当表达编码荧光素酶的质粒DNA被诱导进癌症细胞后，所产生的荧光素酶增加了17倍。

　　研究人员计划将来用不太昂贵纳秒激光替代超速的飞秒激光进行研究。他们还计划优选碳纳米粒子，这样可以使碳纳米粒子在激光照射后完全消化掉。尽管人体不能清除碳纳米粒子，但留在体内应该不会产生有害的作用，普劳斯尼茨说。

　　“这是对激光激活碳纳米粒子反应进行药物释放原理的首次证明。”他说。“这项技术在用于医疗之前还有很长路要走，但我们乐观地认为，这项技术最终将是一种安全有效的细胞内药物释放方法。”