调制电脉冲增强三维球体模型内分子递送的渐进式分布与累积机制研究

针对三维球体内药物递送效率低下的难题，研究人员通过高电压短脉冲(HSP)与低电压长脉冲(LLP)的组合策略(MEP)，揭示了电脉冲调控分子跨膜转运(ZO-1/E-cadherin通路)与电泳定向迁移的协同机制，为复杂生物系统的靶向递送提供了新范式。

　　

在生物医学领域，药物如何突破细胞膜与组织微环境的双重屏障始终是重大挑战。传统二维细胞模型无法模拟真实组织中复杂的细胞-基质相互作用，而活体实验又面临伦理与技术限制。三维培养的肿瘤球体(tumoroids)因其能再现细胞紧密连接和细胞外基质特性，成为连接体外与体内研究的重要桥梁。然而，球体内部致密的结构使得分子难以均匀分布，更遑论有效进入核心区域细胞。现有物理辅助递送技术如声透法(sonophoresis)或离子电渗(iontophoresis)往往存在穿透深度不足或损伤风险，而电穿孔技术(electroporation)虽能暂时打开细胞膜，但对组织层次递送的动态过程仍缺乏系统认知。

复旦大学的研究团队在《International Journal of Pharmaceutics》发表的研究中，创新性地将高电压短时脉冲(high voltage short-duration pulses, HSP)与低电压长时脉冲(low voltage long-duration pulse, LLP)组合成调制电脉冲策略(modulated electric pulses, MEP)，通过HeLa细胞球体模型揭示了渐进式分子递送的调控机制。研究采用数值模拟与实验验证相结合的方法，重点监测了荧光标记分子(如propidium iodide和FITC-Dextran)的时空分布特征，并借助免疫荧光技术追踪了紧密连接蛋白ZO-1和E-cadherin的动态变化。

细胞培养与球体构建
优化5000细胞/孔的接种密度与3天培养周期，建立形态规则、高活性的HeLa球体模型，为后续电脉冲处理提供标准化样本。

结果
HSP-LLP协同作用机制
HSP诱导的可逆电穿孔使细胞膜暂时形成亲水通道，同时引发表层细胞连接蛋白的瞬时紊乱；后续LLP则通过电泳(electrophoresis)驱动带电分子定向迁移，二者协同实现分子从球体边缘向核心的渐进式递送。值得注意的是，脉冲实施期间未观察到瞬时递送现象，说明累积效应主要依赖后续孵育过程。

分子特性影响
实验证明MEP对不同分子量(小分子染料至siRNA)和电荷特性的物质均具增强效果，其中带正电分子在LLP作用下的迁移效率显著提升，印证了电场对电荷依赖运动的调控能力。

微环境动态变化
时间分辨成像显示，电脉冲处理后4小时内ZO-1蛋白分布发生可逆性改变，这种暂时性的连接松动为分子跨细胞层扩散创造了有利条件，但不会导致球体结构解体。

讨论与结论
该研究首次系统阐释了组合电脉冲在三维组织模拟系统中的时空作用规律：HSP启动的膜扰动与连接蛋白重组为分子渗透打开物理通道，LLP则像"分子导航"般精确调控药物运输方向。这种分阶段、多靶点的MEP策略，克服了传统单脉冲模式在组织穿透深度与特异性方面的局限。更重要的是，研究证实电刺激造成的微环境变化具有完全可逆性，为临床安全应用提供了实验依据。

从转化医学视角看，该发现不仅为肿瘤局部给药(如化疗药物跨血管屏障运输)提供了新思路，其揭示的ZO-1/E-cadherin动态响应规律，更为设计针对紧密连接的特异性调控方案奠定了理论基础。未来通过个性化调整HSP/LLP参数组合，或可实现从单细胞到器官尺度递送效率的精准调控，推动电穿孔技术从实验室走向复杂生理环境下的临床应用。