意昂开户|学霸女神，再发Nature Synthesis！
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在活细胞中合成聚合物近年来，基于细胞的聚合技术在合成化学和生物系统之间架起了一座桥梁，展现出直接在活组织中构建功能性材料和设备的巨大潜力。尽管在生物系统中实施外源化学反应面临诸多挑战，但通过利用细胞自身的机械、天然化学环境和外部刺激，研究人员已经能够精确控制聚合反应条件，从而调控合成聚合物的特性、结构和位置。
相比传统的预制材料引入方法，这种在活细胞中原位合成功能性聚合物的技术表现出更好的细胞微环境整合性，减少了材料和细胞界面在地形、化学性质、机械属性和电特性方面的差异。这一新兴领域不仅有望在治疗、细胞成像和细胞保护等生物医学领域带来突破，还可能广泛影响生物技术及其他相关领域的研究和应用。
然而，直接在活细胞上合成非生物功能聚合物需要克服一系列复杂的技术挑战，包括反应物和反应触发剂的选择、反应定位的精确性以及在生理环境中的反应稳定性和生物相容性。
2024年6月20日，斯坦福大学鲍哲南院士和光遗传学之父Karl Deisseroth等人，总结了在活体环境中合成非生物聚合物以影响细胞功能的控制策略，重点讨论了在三个不同领域的非生物聚合物合成：细胞内聚合、细胞表面聚合和细胞外聚合，并探讨了每个领域所启用的方法、挑战和独特的生物医学应用。这篇综述有助于加深对基于细胞的聚合这一新兴领域及其在生物医学、生物技术及其他领域创新应用的理解。相关论文以“Applications of synthetic polymers directed toward living cells为题，发表在Nature Synthesis。该论文第一作者是斯坦福大学张安琪。
在活细胞上合成非生物聚合物主要的合成方式包括：细胞内聚合，通过递送具有膜透性的单体到细胞内，利用ROS、光、光敏剂和酶等反应触发器，在细胞内形成并保留聚合物（图1a）；细胞表面工程意昂开户，通过细胞模板合成、膜锚定酶和表面固定引发剂，将聚合反应定位于细胞表面（图1b）；组织中的胞外聚合，可由ROS或电力引发，从而在组织外部形成聚合物（图1c）。
图1：在活细胞上合成非生物聚合物的概念概述。
细胞内聚合
文章首先讨论了非天然构建块在细胞内聚合的应用，特别是用于癌症治疗和细胞活动控制。非天然聚合物的细胞内聚合可以引入新的方式来控制细胞功能和行为，但设计这些反应时需考虑单体的膜透性、生物相容性，以及聚合物在细胞内的保留和触发聚合反应的特定刺激。
1.细胞内聚合用于癌症治疗
内源性触发的细胞毒性聚合包括利用癌细胞中高水平的活性氧（ROS）来触发有机碲化物单体的聚合，选择性诱导癌细胞凋亡；靶向亚细胞位置的聚合，如二芳基硫化物单体在癌细胞线粒体中聚合，引发线粒体功能障碍和细胞坏死；以及利用外部刺激，如光诱导的聚合反应，通过光激活聚合反应，阻止癌细胞的增殖和转移。
2.细胞活动控制的生物相容性聚合意昂开户
细胞活动控制的生物相容性聚合包括利用光诱导的生物相容性丙烯酸单体和光引发剂，通过365纳米光照引发聚合，意昂2注册改变细胞内粘度并减缓细胞迁移，以及结合荧光实体进行细胞标记以便长期跟踪研究；通过半胱氨酸-氰基苯并噻唑（CBT）缩合反应生成荧光素衍生物，用于直接成像和肿瘤部位的荧光及光声成像；利用内源性细胞机制合成磁性黑色素，通过磁场控制细胞对齐，探索力学生物学和磁基因学。
这些策略展示了细胞内聚合在癌症治疗和细胞活动控制方面的潜力，同时也指出了临床应用面临的挑战，如单体的体内递送、毒性、细胞内保留和聚合物清除，以及靶向特定细胞类型或亚细胞位置的特异性。
图2：细胞内聚合。
细胞表面工程
接着，论文讲述了通过表面工程技术在细胞膜表面进行聚合反应的多种应用和方法。这些方法包括利用自由基聚合反应合成纳米水凝胶涂层，用于选择性传递小分子营养物质；利用光诱导聚合反应在细胞膜表面形成交联的聚合物薄膜，保护功能性外源细胞免受宿主免疫系统攻击；通过基因工程和抗体靶向技术在特定细胞类型上实现聚合物的空间控制，以及利用电化学方法在微生物表面聚合导电性聚合物，提高微生物燃料电池的电导率和稳定性。这些表面工程技术不仅可以调控细胞的相互作用和行为，还能够实现靶向疗法、细胞成像和细胞调控等多种生物医学应用。
图3：细胞表面工程意昂开户。
论文还讨论了基因靶向的细胞类型特异性合成技术。该技术旨在通过基因修改生物系统中特定的细胞，使其能够在原位合成导电或绝缘聚合物。通过这种方法，研究人员可以在细胞内或细胞外使用特定的酶和单体，例如过氧化物酶，来引发聚合反应。在这些反应中，合成的聚合物可以在神经元的膜周围形成密集的沉积物，而不会影响其生存能力。这种技术的发展具有重要的神经科学和生物医学应用潜力，可以精确调控细胞的电学特性，改变其神经活动，并且未来可能实现基因靶向的光刻造型，用于建立三维的细胞间导电连接或绝缘形状。
细胞外聚合
接着，文章概述了在生物组织内进行原位胞外聚合的新策略。这种方法可以用于制造与生物组织界面的功能材料和设备，与传统的将预制聚合物植入体内的做法不同，原位聚合具有精确控制聚合物在目标位置形成、结构和性质的独特优势。文章涵盖了多个方面的应用和研究进展，包括在神经组织中进行电化学聚合、植物和动物中的体内电极组装，以及聚合物在伤口监测和治疗干预中的应用。
图4：细胞外聚合。
未来展望
细胞内原位聚合这一新兴技术利用内源性细胞环境和外源性反应物及刺激，能够在活体系统中制造功能材料，具有独特的精确空间控制和无缝整合合成材料与生物实体的优势。文章回顾了在活细胞中生成非生物聚合物的最新进展及其广泛的生物医学应用，包括癌症治疗、生物成像、细胞活性调节、电子植物制造、神经接口开发及伤口愈合监测等。
未来研究方向包括将更多有机化学反应整合到活体系统中、优化合成方法以适应生理pH和氧水平、提高反应在细胞环境中的定量表征、以及将细菌的生物聚合物合成扩展到哺乳动物系统等。该领域的潜在应用广泛，包括生物电子学、神经技术、实时诊断、生物传感、再生医学等。然而，将这些技术应用于临床仍需经过严格的测试，以评估聚合反应对细胞及其周围组织的长期影响。
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参考文献：https://doi.org/10.1038/s44160-024-00560-2
来源：高分子科学前沿
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