新加坡國立大學林志德團隊《自然·通訊》:?水響應可編程兩棲微針！

陸生 植物 和水生植物支撐著全球糧食、 藥品 與生物材料 的 供應， 同時 承擔 了 重要 的碳匯功能 。 然而，在活體植物中 實現 營養物質、核酸或蛋白質等 的高效遞送 仍是一項長期 挑戰 。 傳統的葉面噴施、基因槍或農桿菌 介 導轉化 策略 通常 存在效率低、靶向性差、釋放難以控制 和 缺乏跨物種普適性 等問題 。 同時 雨水、灌溉及水體環境會迅速稀釋外施物質，使其難以進入植物組織。 部分水生植物甚至缺乏氣孔，進一步限制了傳統滲透式遞送技術的使用。這些挑戰 反映出 建立一種跨物種、跨生態環境的高效植物遞送平臺的迫切需求。

近日， 新加坡國立大學的 林志德（ Tedrick Thomas Salim Lew ） 團隊報道了 一種 水響應 、 可編程的 兩棲 微針平臺 。 該微針平臺 具有核殼結構， 由透明質酸（ HA ） / 碳酸氫鉀（ KHCO 3 ）親水核部 與聚己內酯 （ PCL ） / 癸 酸（ C10 ）疏水殼層構成 。 其核部 具備負載 核酸、蛋白質、納米顆粒和活菌等 生物活性 貨物的能力 ； 利用疏水的殼層 控制外界水分的滲透速率， 避免貨物過早 泄露 ； 直至 水分到達微針核 - 殼界面 ， 觸發 C10/KHCO 3 泡騰反應 ，實現貨物的 快速 釋放。 這 一 延遲釋放策略 拓展了微針在植物體上的應用場景， 首次 實現了微針 在 濕潤葉面和水下環境 中的貨物 遞送 ， 為農業與水產生物技術帶來全新的工具。 相關研究成果以題為 “Amphibious microneedles for programmable delivery of biomolecules and microorganisms in living plants” 發表在最新一期的《 Nature Communications 》上 ， 博士后研究員 Di Shen 為 論文的 第一作者 。

研究團隊首先 應用 模板法制備 了 親水的 HA/KHCO 3 微針（ core MNP ）并進行貨物負載，然后將其浸沒在含有 PCL 和 C10 的二氯甲烷溶液 中數秒 ， 并取出 。 二氯甲烷自然揮發 后 即可 得到 具有親水核部和疏水殼層的 兩棲 微針 （ core-shell MNP ） 。

圖1. 兩棲微針的核殼結構設計與表征

兩棲微針 的貨物釋放分為兩個階段。 第一階段，外界水分在微針殼層中發生擴散 。 殼層中的 PCL 發生溶脹 ， 伴隨 C10 水合 行為 ，在殼層中形成微 / 納米級的 孔 隙 。 該 階段 ， 負載于核部的貨物 釋放行為受到顯著抑制 。 第二階段， 水分到達微針的核 - 殼界面，觸發 C10 和 KHCO 3 的泡騰反應 ， 顯著加速所載貨物的釋放 。 有趣的是，泡 騰反應 生成的水 可 進一步促進 C10 和 KHCO 3 的水合，維持 泡 騰 反應 的進行 ； 而 生成的 CO 2 可以在微針殼層 中 形成更多孔隙，加速水的擴散和貨物的釋放 。 通過調節 微針的核殼結構配方、比例或殼層的厚度可以 獲得 分鐘 級至小時級 的 貨物釋放抑制 期 （即 “ 第一階段 ” ） ， 為微針刺入植物提供了充足的操作 時間， 這 對 潮濕或水下環境使用該微針平臺至關重要 。

圖2. 兩棲微針的貨物釋放行為及機理 研究

研究團隊選取典型 的陸生植物（ N. benthamiana ）和 水生植物（ M. pteropus ） 進行貨物遞送 研究 。 臺盼藍 染色結果表明兩棲微針 可成功刺入植物葉片， CLSM 結果表明 微針內所載貨 物成功 遞送到了植物組織 內 。兩棲微針 可滿足 nm 級至 μm 級的多尺度貨物遞送 需求 ，且 同時適用于陸上操作和水下操作。 兩棲微針的適用性 還 在典型的糧食作物（如大麥）和蔬菜（如白菜、空心菜）上得到了驗證。

圖3. 兩棲微針在陸生和水生植物中 的貨物遞送行為

兩棲微針 還被 進一步用于質粒 DNA 和 農桿菌 的遞送 。 CLSM 、 Western blot 和 RT-qPCR 結果表明 ， 質粒 DNA 和 農桿菌 均可以通過 兩棲微 針 成功 遞送 至陸生和水生植物 組織中 ，并 成功表達相應蛋白 （如綠色熒光蛋白、 螢火蟲熒光素酶 、 氯離子轉運蛋白 ） 。 而 傳統的農桿菌滲透法僅能在陸生植物中實現外源蛋白的表達 ， 在水下環境進行遞送時則未觀察到水 生植物體內的相關蛋白表達。 另外 ， 值得注意的是 ，通過在典型淡水水生植物 M. pteropus 內表達 氯離子轉運蛋白 （ AoCLCf ） ， 可 顯著增強 其耐鹽性， 這表明 兩棲微 針 具備 在植物 體內引入功能性狀 的能力 。

圖4. 兩棲微針用于質粒DNA和農桿菌的遞送性能及綠色熒光蛋白的表達研究

圖5. 兩棲微針用于質粒DNA和農桿菌的遞送性能及氯離子轉運蛋白的表達 研究

最后 ， 基于 光合參數 （ Fv /Fm 、 NPQ 、 qP 和 ETR ）、葉綠素含量（ SPAD ）以及 OJIP 快速熒光誘導曲線等多項指標 對兩棲微針的 生物相容性進行了系統評估 。 結果表明， 施用 兩棲 微針對 陸生與水生植物 的 生理行為 均未 造成顯著影響， 顯示 其 良好的安全性。

圖6. 兩棲微針 的生物相容性研究

綜上所述， 該研究通過對 兩棲 微針的理性設計， 實現了對多 種 生物活性貨物的負載與水響應的可編程釋放 功能 ，在 陸生與水生植物 的遞送領域具有重要意義。 這項工作 開發了一種多功能且具兩棲適應性的全新遞送工具 ， 突破了水下植物生物技術長期面臨的技術瓶頸 ，并為促進糧食安全、環境可持續性和水生生態系統管理建立了一個有前景的平臺。

https://www.nature.com/articles/s41467-025-66799-1