生物相容性聚合物（金色）沉積在右側的兩個基因定向神經元上，而相鄰細胞沒有受到影響。這些聚合物具有不同的導電性質，它們的選擇性沉積能夠調節活組織中目標細胞的特性。藍色粒子代表單體，能夠使聚合物在整個組織中擴散。
近日，來自美國斯坦福大學的研究人員在《科學》雜誌上發表論文稱，他們開發出了一種基因定向化學組裝（GTCA）技術，並利用這項技術在哺乳動物的腦細胞和秀麗隱杆線蟲的神經元中利用合成材料構建了能夠在體內執行功能的人工結構。這些結構由兩種不同的生物相容性材料製成，每一種材料都具有不同的電子性能。
“我們把細胞變成了化學工程師，讓它們利用提供的材料來構建功能性聚合物，並以特定的方式改變細胞的行為。”生物工程和精神病學與行為科學教授Karl Deisseroth說，他是這項研究的負責人之一。另一位負責人、化學工程教授Zhenan Bao說，雖然目前的實驗主要集中在腦細胞或神經元上，但GTCA應該也適用於其他類型的細胞。Bao說：“我們開發了一個能夠深入到人體細胞生化過程中的技術平臺。”
在這項研究中，研究人員首先對目的細胞進行了基因重組：使用標準的生物工程技術向特定的神經元中添加一種叫做APEX2的酶。接下來，科學家們將線蟲和其他實驗組織浸泡在一種溶液中，這種溶液含有極低的、非致死劑量的過氧化氫，以及細胞用於構建人工結構的數十億分子原料。
過氧化氫與帶有APEX2酶的神經元之間的接觸引發了一系列的化學反應，這些化學反應將原料分子熔合在一起形成了一種鏈狀聚合物，最終形成網狀物質。通過這種方式，研究人員能夠在目標神經元周圍編織具有絕緣或導電特性的人工網絡。聚合物改變了神經元的性質。當秀麗隱杆線蟲的細胞中生成這些聚合物時，線蟲的爬行運動發生了變化。在哺乳動物細胞實驗中，研究人員在小鼠大腦的活體切片和培養的小鼠大腦神經元中進行了類似的聚合形成實驗，並驗證了聚合物的導電或絕緣性能。最後，研究人員將低濃度的過氧化氫溶液和數百萬的原材料分子注入活體小鼠的大腦，證實了這些元素在一起是無毒的。
Deisseroth說：“我們開發的是一個探索工具，目前還不能應用於醫學。”但是這些工具可以用來研究由神經周圍髓磷脂絕緣層磨損引起的多發性硬化症，如果我們能夠誘導病變細胞形成絕緣聚合物作為替代，可能會改善多發性硬化症。當然，如果在自閉症或癲癇患者大腦中不能導電的神經元周圍形成導電聚合物，也可能會起到一定的治療效果。
接下來，研究人員計劃繼續探索細胞靶向技術的變體，通過不同的化學信號，將GTCA用於生產多種功能材料。“我們正在化學和生物學的新界面上，想象一個充滿各種可能性的世界，” Deisseroth說。
期刊編號：0036-8075
原文鏈接：https://phys.org/news/2020-03-scientists-cells-gene-guided.html
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