Nature新一代技术：破解细胞通信的凝胶

　　生物通报道：一组研究人员结合基因工程，小细胞支架，以及光遗传学的作用原理，研发出了一种“光导凝胶（light-guiding hydrogels，生物通译）”，从而实现了在体内检测细胞表达的荧光蛋白，以及利用光刺激细胞，抑制糖尿病小鼠的高血糖水平。这一最新技术成果公布在10月20日的 Nature Photonics杂志上。

文章的第一作者，哈佛大学博士后研究员Myunghwan Choi表示， “我们只展示了光传感和治疗的一个例子，但是实际上细胞中存在超过两万个功能蛋白”，他还补充说，如果科学家通过遗传工程，令这些细胞中的蛋白对光线作出反应，然后结合光导凝胶，就能够更好地控制细胞，完成细胞疗法。

创新性：

“目前人们已经完成了基于细胞的疗法，也已经进行过以凝胶为基础的疗法，并且还有将这两者结合在一起应用的，但是以受控的方式，利用凝胶的特性作为波导，光刺激（细胞），这还是第一次，”德州农工大学生物医学工程教授Michael Pishko表示（未参与该项研究）。

此前已有将水凝胶用于药物递送的先例，其中的一些甚至获得了美国食品和药物管理局FDA的批准。这一领域利用细胞工程和光遗传学方法进行临床治疗。“其实我们并没有创建或发明什么”，这项研究的通讯作者Seok Hyun Yun表示，“我们只是将脱节的东西与巧妙的技术结合在一起，令它们在一个简单系统中发挥作用……然后将它们移至体内。”

Seok-Hyun Yun曾与其他研究人员发明了单细胞生物激光器。

搭建一个激光器要求两个条件：进行光放大的激光材料(即增益介质)和反射镜组成的光学谐振腔来形成能量集中的准直光束。直到现在，激光增益介质一直都采用非生物物质如掺入元素的晶体、半导体或气体等材料。Seok-Hyun Yun等人采用了增强型绿色荧光蛋白质(GFP)，这是一种使水母发光的物质并已经被广泛用于细胞生物学进行荧光标记。研究小组构建人体胚胎细胞产生GFP，然后将单个细胞放置于两个距离仅有20微米反射镜形成的光学腔中。当他们用蓝光激发细胞时，就会发出肉眼能见的准直激光，而且在此过程中细胞不会受到损伤。

重要性：

细胞疗法发展迅速，但是也遇到了许多挑战。尤其是当需要将细胞注射到小鼠或患者体内，并确定这些细胞达到了它们应该去的地方的时候。

剂量也是一个问题，因为很难分辨有多少细胞存活了下来，以及它们是否在体内正常工作。细胞可以通过基因工程，表达能对光产生应答的蛋白，但是一旦蛋白在体内表达，要让光到达细胞也是十分困难，因为身体大部分组织的光学特性并不利于光的移动。

光导凝胶为解决这些问题提出了新方案。对于注入的水凝胶来说，这些细胞的位置是已知的。而且细胞能通过干净的材料接收和发送光信息，就能“最大限度地提高细胞与外界的通信效率”。作者还表示，凝胶还能调控细胞释放蛋白的活性，并且帮助细胞在体内存活，稳定环境。

有待改进：

当然这一系统也不是完美无缺，“研究人员采用的细胞是HeLa细胞，这些细胞具有潜在致瘤性，” Warren W.C. Chan（未参与该项研究）说，而且其安全性也有待考究。另外还有学者表示，这项研究也不清楚移植细胞造成的影响，这些都需要进一步的研究。

（生物通：张迪）

原文摘要：

M. Choi et al., “Light-guiding hydrogels for cell-based sensing and optogenetic synthesis in vivo,” Nature Photonics, doi:10.1038/nphoton.2013.278, 2013.

Polymer hydrogels are widely used as cell scaffolds for biomedical applications. Although the biochemical and biophysical properties of hydrogels have been investigated extensively, little attention has been paid to their potential photonic functionalities. Here, we report cell-integrated polyethylene glycol-based hydrogels for in vivo optical-sensing and therapy applications. Hydrogel patches containing cells were implanted in awake, freely moving mice for several days and shown to offer long-term transparency, biocompatibility, cell viability and light-guiding properties (loss of <1 dB cm−1). Using optogenetic, glucagon-like peptide-1 secreting cells, we conducted light-controlled therapy using the hydrogel in a mouse model with diabetes and obtained improved glucose homeostasis. Furthermore, real-time optical readout of encapsulated heat-shock-protein-coupled fluorescent reporter cells made it possible to measure the nanotoxicity of cadmium-based bare and shelled quantum dots (CdTe; CdSe/ZnS) in vivo.