【蔻享科讯】神操作！光遗传学之父Karl/鲍哲南联手《Science》

背景介绍

导电高分子材料是一种具导电性的高分子聚合物，又称导电塑胶与导电塑料。最简单的例子是聚乙炔，这样的导电高分子材料是单键和双键交替的有机链，当高分子结构拥有延长共轭双键，离域π键电子不受原子束缚，能在聚合链上自由移动，经过掺杂后，可移走电子生成空穴，或添加电子，使电子或空穴在分子链上自由移动，从而形成导电分子并赋予导电高分子类似金属的半导体性能。最近十年来，大量的导电高分子材料已被广泛研究并用于生物医学应用（例如包括用作生物传感器，神经信号传导和生理信号采集）以及用于药物输送和人体组织工程修复。常用的导电聚合物包括聚（3,4-乙撑二氧噻吩（PEDOT），聚苯胺（PANI）和聚吡咯。

实验重大突破

导电高分子材料传统上是在体外合成后应用于培养细胞或体内植入，通过体外注射或者植入的方法将导电聚合物整合到体内组织中，但是缺乏对细胞和组织器官的靶向性的体外植入，美国工程院院士光遗传学之父Karl Deisseroth和鲍哲南等强强联手，在Science上发表文章报道了在神经元中组装导电高分子材料的遗传靶向方法。

这种方法通过整合工程酶靶向技术和高分子化学，从遗传上指导了特定的活神经元，以指导质膜上电功能（导电或绝缘）聚合物的化学合成。电生理和行为分析证实，功能高分子经过合理设计，以基因为靶标的组装，不仅保留了神经元的生存能力，而且还实现了对自由活动动物的膜特性的重塑和细胞特定类型的行为的调节。这种方法可以在生活系统中创建各种复杂的功能性结构和材料。可以重塑神经元细胞膜的电特性，并实现特定细胞类型的细胞电生理信号和生物行为调节，例如控制神经元放电。

实验过程

聚苯胺（PANI）和聚（3,4-乙撑二氧噻吩）（PEDOT）被选择为体内合成的导电高分子材料因为其良好的生物相容性。选择这些聚合物用于水合成（这对于生物系统的相容性很重要）以及电子和离子的双重传导，当电子与活细胞连接时可降低生物微环境中电化学阻抗 。如图所示，步骤I，使用化学修饰单体设计了一种单一酶促聚合，其聚合是由一种可以在特定细胞中表达的酶（抗坏血酸过氧化物酶Apex2的人源化版本）触发的。灌注能够通过完整组织扩散的小分子导电聚合物前体（步骤I）之后，在基因靶向酶的反应中心处进行氧化自由基阳离子聚合步骤。由于自由基阳离子在水溶液中的平均扩散长度较短，且所得聚合物的溶解度较低，因此预期合成的导电聚合物将沉积在膜旁的靶细胞上（步骤II）。

图1. 细胞中功能材料的遗传靶向化学组装。

为了对聚合前后的相同细胞进行严格的测试在急性脑切片中进行了记录（图2A），从而可以在整个聚合反应过程中将相同的细胞保持在全细胞膜片钳中。注射Apex2病毒后四周，我们观察到了稳定的Apex2驱动的聚合反应（图2B），PANI反应后电容增加，而PDAB反应后电容降低（图2，C和E）。在所有条件下，贴片细胞在输入阻力和静息电位方面都是健康的。接下来，研究动作电位（图2，D和F）。治疗后Apex2（–）神经元的放电率没有变化，Apex2（+）/ PANI神经元的电流注入诱发的放电降低，而Apex2（+）/ PDAB神经元的放电提高（图2，D和F）。对于改变放电的非特异性细胞健康机制，尚无法预期静息电位和输入电阻的稳定性以及这种效应的双向性。相比之下，实验和理论研究表明，尖峰发射与电容（辅助材料）之间存在反相关关系，这与切片生理学相吻合，后者显示出导电聚合物沉积在生物介电脂质双层上后电容增加绝缘聚合物沉积后，神经元和电容降低（图2，C和E）。

图2. 电生理学特征:活体脑切片中的导电聚合物。

最后，作者们测试了在体内组装遗传靶向电活性聚合物的自由活动动物的行为。我们在蠕虫(秀丽隐杆线虫) 咽肌细胞的膜上表达Apex2绿色荧光蛋白 (GFP) (图3，A和B)，并观察到稳定的局部聚合(图3，C)。Apex2 (+)/PANI蠕虫显示咽部肌肉的泵送频率降低 (图3E)，这与在培养的神经元和脑切片电生理学中观察到的靶细胞的抑制一致，但是在其他身体运动中没有定量改变，例如弯曲(图3F)。因为液态原子力显微镜显示聚合后细胞膜的杨氏模量没有明显变化，由于肌肉膜弹性的变化，咽泵的改变是不可能的，生存力测定证实了PANI在蠕虫中的长期生物相容性(图A和C)。

图3. 秀丽隐杆线虫的细胞类型特异性聚合。

电生理学和行为学分析证实，合理设计、基因靶向的功能性聚合物不仅能保持体外神经元的活力，而且能在自由活动的动物体内（秀丽隐杆线虫(C. elegans)）实现膜特性的重塑和细胞类型特异性行为的调节。

总结与展望

本研究已经在活细胞、组织和动物体内的遗传特定细胞元素上实现了电活性聚合物的化学组装。未来的工作可能解决潜在的限制和机会；例如，随着时间的推移，反应产物可能占据靶细胞内和附近的大量空间，这在某些情况下可能有用，但也可能导致细胞毒性。化学合成的靶向和触发的不同策略可以超越这里所示的氧化自由基引发，同时建立在细胞内组装的核心原则(作为反应室)、遗传和解剖学靶向的反应物(如单体)、催化剂(如酶或表面)或反应条件(通过调节酸碱度、光、热、氧化还原电位、电化学电位和其他化学或能量信号)。因此，不同的细胞特异性化学合成可以被探索和开发用于组装结构中广泛的功能特性。

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