Science：在活細(xì)胞、組織和動(dòng)物中進(jìn)行功能性材料的基因靶向化學(xué)組裝

在一項(xiàng)新的研究中，來自美國斯坦福大學(xué)的研究人員利用他們開發(fā)出的一種技術(shù)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行重編程，使得它們使用他們提供的合成材料來構(gòu)建能夠在體內(nèi)執(zhí)行功能的人工結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2020年3月20日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Genetically targeted chemical assembly of functional materials in living cells, tissues, and animals”。

論文共同通訊作者、斯坦福大學(xué)的Karl Deisseroth教授說，“我們將細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槟撤N類型的化學(xué)工程師，它們使用我們提供的材料來構(gòu)建能以特定方式改變其行為的功能性聚合物?！?/span>

這些研究人員解釋了他們?nèi)绾伍_發(fā)出一種稱為基因靶向化學(xué)組裝（genetically targeted chemical assembly, GTCA）的方法，并使用這種新方法在哺乳動(dòng)物腦細(xì)胞和秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)元上構(gòu)建人工結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)是使用兩種不同的生物相容性材料制成的，每種材料具有不同的電子特性。一種材料是絕緣體，另一種材料是導(dǎo)體。

論文共同通訊作者、斯坦福大學(xué)化學(xué)工程學(xué)教授Zhenan Bao說，盡管當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)主要集中在腦細(xì)胞或神經(jīng)元上，但是GTCA也應(yīng)當(dāng)適用于其他的細(xì)胞類型。Bao說，“我們開發(fā)出一種技術(shù)平臺(tái)，它可以利用整個(gè)身體中的細(xì)胞生化過程?！?/span>

這些研究人員首先對(duì)他們想要影響的細(xì)胞進(jìn)行了基因重編程。為此，他們通過使用標(biāo)準(zhǔn)的生物工程技術(shù)傳遞指令，從而向特定的神經(jīng)元中添加一種稱為APEX2的酶。接下來，他們將線蟲和其他實(shí)驗(yàn)組織浸入含有兩種活性成分---一種極低的非致命劑量的過氧化氫和數(shù)十億個(gè)他們希望細(xì)胞用來構(gòu)建人工結(jié)構(gòu)的原材料分子---的溶液中。

過氧化氫和含有APEX2酶的神經(jīng)元之間的接觸引發(fā)了一系列化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)將這些原料分子融合成聚合物，從而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。通過這種方式，這些研究人員能夠僅在他們想要的神經(jīng)元周圍編織具有絕緣或?qū)щ娞匦缘娜斯ぞW(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

這些聚合物改變了神經(jīng)元的特性。根據(jù)形成的聚合物不同，神經(jīng)元更快或更慢地放電，而且當(dāng)這些聚合物在秀麗隱桿線蟲的細(xì)胞中生成時(shí)，這些線蟲的爬行運(yùn)動(dòng)發(fā)生了相反的變化。

在哺乳動(dòng)物細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，這些研究人員在來自小鼠大腦的活組織切片和來自大鼠大腦的體外培養(yǎng)的神經(jīng)元上進(jìn)行了類似的聚合物形成實(shí)驗(yàn)，并驗(yàn)證了這些合成聚合物的導(dǎo)電或絕緣性能。最后，他們將低濃度的過氧化氫溶液與數(shù)百萬個(gè)原料分子一起注入了活小鼠的大腦，以驗(yàn)證這些成分在一起時(shí)沒有毒性。

Deisseroth說，與其說它不是醫(yī)療應(yīng)用，還不如說“我們擁有的是用于探索的工具”。但是這些工具可能被用來研究由神經(jīng)周圍的髓磷脂絕緣層磨損引起的多發(fā)性硬化癥在患病細(xì)胞經(jīng)誘導(dǎo)后可產(chǎn)生替代性的絕緣聚合物的情形下如何可能作出反應(yīng)?？茖W(xué)家們可能還會(huì)探究在自閉癥或癲癇患者的錯(cuò)誤放電的神經(jīng)元上形成導(dǎo)電性聚合物是否可能改變這些疾病。

展望未來，這些研究人員希望探索他們的細(xì)胞靶向技術(shù)的變體形式。GTCA可能可用于制造多種功能材料，并通過不同的化學(xué)信號(hào)加以實(shí)現(xiàn)。Deisseroth說：“我們正在這種化學(xué)和生物學(xué)的新界面中想象各種各樣的可能性?！保ㄊ缆?lián)博研(Bioexcellence) 世聯(lián)博研Bioexcellence）

小編推薦會(huì)議  2020（第十一屆）細(xì)胞治療國際研討會(huì)
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