新加坡国立大学林志德团队《自然·通讯》: 水响应可编程两栖微针！

陆生 植物 和水生植物支撑着全球粮食、 药品 与生物材料 的 供应， 同时 承担 了 重要 的碳汇功能 。 然而，在活体植物中 实现 营养物质、核酸或蛋白质等 的高效递送 仍是一项长期 挑战 。 传统的叶面喷施、基因枪或农杆菌 介 导转化 策略 通常 存在效率低、靶向性差、释放难以控制 和 缺乏跨物种普适性 等问题 。 同时 雨水、灌溉及水体环境会迅速稀释外施物质，使其难以进入植物组织。 部分水生植物甚至缺乏气孔，进一步限制了传统渗透式递送技术的使用。这些挑战 反映出 建立一种跨物种、跨生态环境的高效植物递送平台的迫切需求。

近日， 新加坡国立大学的 林志德（ Tedrick Thomas Salim Lew ） 团队报道了 一种 水响应 、 可编程的 两栖 微针平台 。 该微针平台 具有核壳结构， 由透明质酸（ HA ） / 碳酸氢钾（ KHCO 3 ）亲水核部 与聚己内酯 （ PCL ） / 癸 酸（ C10 ）疏水壳层构成 。 其核部 具备负载 核酸、蛋白质、纳米颗粒和活菌等 生物活性 货物的能力 ； 利用疏水的壳层 控制外界水分的渗透速率， 避免货物过早 泄露 ； 直至 水分到达微针核 - 壳界面 ， 触发 C10/KHCO 3 泡腾反应 ，实现货物的 快速 释放。 这 一 延迟释放策略 拓展了微针在植物体上的应用场景， 首次 实现了微针 在 湿润叶面和水下环境 中的货物 递送 ， 为农业与水产生物技术带来全新的工具。 相关研究成果以题为 “Amphibious microneedles for programmable delivery of biomolecules and microorganisms in living plants” 发表在最新一期的《 Nature Communications 》上 ， 博士后研究员 Di Shen 为 论文的 第一作者 。

研究团队首先 应用 模板法制备 了 亲水的 HA/KHCO 3 微针（ core MNP ）并进行货物负载，然后将其浸没在含有 PCL 和 C10 的二氯甲烷溶液 中数秒 ， 并取出 。 二氯甲烷自然挥发 后 即可 得到 具有亲水核部和疏水壳层的 两栖 微针 （ core-shell MNP ） 。

图1. 两栖微针的核壳结构设计与表征

两栖微针 的货物释放分为两个阶段。 第一阶段，外界水分在微针壳层中发生扩散 。 壳层中的 PCL 发生溶胀 ， 伴随 C10 水合 行为 ，在壳层中形成微 / 纳米级的 孔 隙 。 该 阶段 ， 负载于核部的货物 释放行为受到显著抑制 。 第二阶段， 水分到达微针的核 - 壳界面，触发 C10 和 KHCO 3 的泡腾反应 ， 显著加速所载货物的释放 。 有趣的是，泡 腾反应 生成的水 可 进一步促进 C10 和 KHCO 3 的水合，维持 泡 腾 反应 的进行 ； 而 生成的 CO 2 可以在微针壳层 中 形成更多孔隙，加速水的扩散和货物的释放 。 通过调节 微针的核壳结构配方、比例或壳层的厚度可以 获得 分钟 级至小时级 的 货物释放抑制 期 （即 “ 第一阶段 ” ） ， 为微针刺入植物提供了充足的操作 时间， 这 对 潮湿或水下环境使用该微针平台至关重要 。

图2. 两栖微针的货物释放行为及机理 研究

研究团队选取典型 的陆生植物（ N. benthamiana ）和 水生植物（ M. pteropus ） 进行货物递送 研究 。 台盼蓝 染色结果表明两栖微针 可成功刺入植物叶片， CLSM 结果表明 微针内所载货 物成功 递送到了植物组织 内 。两栖微针 可满足 nm 级至 μm 级的多尺度货物递送 需求 ，且 同时适用于陆上操作和水下操作。 两栖微针的适用性 还 在典型的粮食作物（如大麦）和蔬菜（如白菜、空心菜）上得到了验证。

图3. 两栖微针在陆生和水生植物中 的货物递送行为

两栖微针 还被 进一步用于质粒 DNA 和 农杆菌 的递送 。 CLSM 、 Western blot 和 RT-qPCR 结果表明 ， 质粒 DNA 和 农杆菌 均可以通过 两栖微 针 成功 递送 至陆生和水生植物 组织中 ，并 成功表达相应蛋白 （如绿色荧光蛋白、 萤火虫荧光素酶 、 氯离子转运蛋白 ） 。 而 传统的农杆菌渗透法仅能在陆生植物中实现外源蛋白的表达 ， 在水下环境进行递送时则未观察到水 生植物体内的相关蛋白表达。 另外 ， 值得注意的是 ，通过在典型淡水水生植物 M. pteropus 内表达 氯离子转运蛋白 （ AoCLCf ） ， 可 显著增强 其耐盐性， 这表明 两栖微 针 具备 在植物 体内引入功能性状 的能力 。

图4. 两栖微针用于质粒DNA和农杆菌的递送性能及绿色荧光蛋白的表达研究

图5. 两栖微针用于质粒DNA和农杆菌的递送性能及氯离子转运蛋白的表达 研究

最后 ， 基于 光合参数 （ Fv /Fm 、 NPQ 、 qP 和 ETR ）、叶绿素含量（ SPAD ）以及 OJIP 快速荧光诱导曲线等多项指标 对两栖微针的 生物相容性进行了系统评估 。 结果表明， 施用 两栖 微针对 陆生与水生植物 的 生理行为 均未 造成显著影响， 显示 其 良好的安全性。

图6. 两栖微针 的生物相容性研究

综上所述， 该研究通过对 两栖 微针的理性设计， 实现了对多 种 生物活性货物的负载与水响应的可编程释放 功能 ，在 陆生与水生植物 的递送领域具有重要意义。 这项工作 开发了一种多功能且具两栖适应性的全新递送工具 ， 突破了水下植物生物技术长期面临的技术瓶颈 ，并为促进粮食安全、环境可持续性和水生生态系统管理建立了一个有前景的平台。

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