SMART研究人员开发了世界上第一个基于植物微针的药物输送技术

• 这是聚合丝微针首次被用于将农药输送到多种植物中

• 丝微针是一种用于人类医疗应用的强大工具，现在它们可以用于有效地向植物输送药物，这将有助于植物科学研究和精准农业

• 这项新技术是微创的，是一种可持续和精确的实践，将有助于农业和粮食安全的可持续性。

麻省理工学院在新加坡的研究企业——新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟(SMART)的破坏性和可持续农业精准技术(DiSTAP)跨学科研究小组(IRG)的研究人员，以及他们来自淡马锡生命科学实验室(TLL)和麻省理工学院(MIT)的合作者，开发了有史以来第一个基于微针的植物药物输送技术。该方法可用于精确地将控制数量的农用化学品输送到特定的植物组织中进行研究。当在田间应用时，它可以用于精准农业，以提高作物质量和疾病管理。

气候变化导致的环境状况日益恶化、人口不断增长、可耕地稀缺和资源有限，正迫使农业采取更可持续和更精确的做法，促进更有效地利用资源(例如水、化肥和农药)，减轻环境影响。开发有效地在作物中部署微量营养素、农药和抗生素等农用化学品的输送系统将有助于确保高产和高产品质量，同时最大限度地减少资源浪费，这一点至关重要。

然而，目前在植物中施用农用化学品的标准做法，如叶面喷洒，由于脱靶施用、在雨中快速流失和活性物质的快速降解，效率低下。这些做法还会造成严重的有害环境副作用，如水和土壤污染、生物多样性丧失和生态系统退化;以及公共卫生问题，如呼吸系统问题、化学品接触和食品污染。

SMART公司开发的新型丝质微针技术绕过了这些限制，将已知的有效载荷直接部署到植物的深层组织中，这将提高植物生长的效率，并有助于疾病管理。这项技术是微创的，因为它提供的化合物不会对植物造成长期损害，而且对环境是可持续的。它最大限度地减少资源浪费，减轻农用化学品污染环境造成的不利副作用。此外，它将有助于促进精准农业实践，并为研究植物和设计作物性状提供新工具，有助于确保粮食安全。

在2023年1月出版的《先进材料》杂志上发表的一篇题为“使用丝微针在植物中给药”的论文中，该研究研究了有史以来第一个用于向各种植物输送小化合物的聚合物微针，以及植物对生物材料注射的反应。通过基因表达分析，研究人员可以仔细检查微针注射后药物传递的反应。观察到极少的疤痕和愈伤组织形成，这表明注射对植物的损伤很小。本研究提供的概念验证为植物微针在植物生物学和农业中的应用打开了大门，通过有效载荷的高效递送，实现了调节植物生理和研究代谢的新手段。

该研究优化了微针的设计，以靶向所选模型植物拟南芥(鼠耳芥)的系统转运系统。选用农业中广泛使用的植物生长调节剂赤霉素(GA3)进行给药。研究人员发现，通过微针传递GA3比传统方法(如叶面喷洒)更有效地促进生长。然后，他们用遗传方法证实了这种技术的有效性，并证明该技术适用于包括蔬菜、谷物、大豆和水稻在内的各种植物物种。

该论文的共同通讯作者、DiSTAP的首席研究员、麻省理工学院土木与环境工程副教授Benedetto Marelli教授分享说:“与目前存在浪费的农用化学品交付方法相比，该技术节省了资源。在应用过程中，微针突破组织屏障，直接在植物内部释放化合物，避免了农用化学品的损失。该技术还可以精确控制农用化学品的使用量，确保高科技精准农业和作物生长，以优化产量。”

“这种首创的技术对农业来说是革命性的。它还最大限度地减少资源浪费和环境污染。未来，随着自动化微针应用成为可能，该技术可能用于高科技室外和室内农场，用于精确的农用化学品输送和疾病管理，”该论文的第一作者、麻省理工学院土木与环境工程博士后曹云腾博士补充道。

“这项工作还强调了使用遗传工具研究植物对生物材料反应的重要性。在遗传水平上分析这些反应可以全面了解这些反应，从而为未来可用于农业食品行业的生物材料的开发提供指导，”这项工作的共同第一作者、新加坡国立大学(NUS)和TLL的博士候选人Sally Koh说。

未来似乎充满希望，正如论文的共同通讯作者、TLL首席研究员和新加坡国立大学兼职助理教授Daisuke Urano阐述的那样，“我们的研究已经验证了基于丝绸的微针在农用化学品应用中的使用，我们期待着进一步将技术和微针设计发展为可扩展的制造和商业化模式。与此同时，我们也在积极研究可能对社会产生重大影响的潜在应用。”

利用丝微针在植物中给药的研究扩展了之前由麻省理工学院Benedetto Marelli教授指导的研究。最初的想法是由SMART和MIT提出的:Marelli教授，namhai Chua教授，disap的联合首席研究员和曹云腾博士。TLL和新加坡国立大学的研究人员Urano Daisuke教授和Sally Koh教授加入了这项研究，以贡献生物学视角。这项研究由SMART进行，并由NRF在其卓越研究和技术企业校园(CREATE)计划下提供支持。