响应性 DNA 人工细胞：调控哺乳动物细胞的新突破

为解决人工细胞与哺乳动物细胞互动难题，研究人员开发 STARM，实现多种功能，助力再生医学。

　　在生命的微观世界里，细胞之间的交流协作如同一场精密的交响乐，维持着生物体的正常运转。人工细胞作为模拟自然细胞功能的合成实体，一直是科研领域的热门研究方向。然而，目前人工细胞与哺乳动物细胞的互动能力却面临着巨大挑战。大多数人工细胞只能通过依赖扩散的途径与自然信号分子相互作用，或者与原核细胞进行交流，能够与哺乳动物细胞选择性通讯并精准调控其生物学功能的人工细胞少之又少。这就好比在一场复杂的演奏中，人工细胞这个 “新成员” 无法与哺乳动物细胞这个 “核心乐团” 默契配合，导致整个 “演奏” 效果大打折扣。

为了攻克这一难题，湖南大学的研究人员展开了深入研究。他们开发了一种名为 STARM（stimulable artificial cells designated to regulate mammalian cells）的可刺激 DNA 人工细胞，旨在通过合成的接触依赖通讯方式来调控哺乳动物细胞。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为人工细胞领域带来了新的曙光。

在研究方法上，研究人员运用了多种关键技术。首先是温度控制的 DNA 自组装技术，该技术涉及液 - 液相分离（LLPS），通过这种技术构建出具有组织化的全 DNA 细胞质模拟和细胞膜模拟隔室的 STARM。其次，利用滚环扩增（RCA）合成单链 DNA（ssDNA）聚合物，为构建 STARM 的表面 - 质膜结构提供了基础。此外，还采用了共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）、流式细胞术、蛋白质免疫印迹（western blot）等技术来对 STARM 的结构、功能以及与哺乳动物细胞的相互作用进行表征和分析。

研究结果如下：

• STARM 的设计原理：STARM 的设计灵感来源于多细胞生物中的接触依赖通讯途径。它能够感知特定刺激（如离子或光），从静止状态转变为激活状态，通过展示表面结合的合成配体，与哺乳动物细胞上的同源受体选择性相互作用，实现对哺乳动物细胞的调控。
• STARM 的全 DNA 架构开发：研究人员使用由两种单链 DNA（Surface - DNA 和 Plasm - DNA）组成的全 DNA 自组装系统构建 STARM 的表面 - 质膜架构。通过热驱动的 LLPS 和冷却诱导的双链杂交，STARM 能够自发组装形成类似细胞的分层结构。研究发现，Plasm - DNA 在镁离子（Mg^{2 +}）存在下，会在特定温度下发生 LLPS 行为，形成凝聚相，而 Surface - DNA 则不会。通过优化实验条件，确定了 Plasm - DNA 和 Surface - DNA 的最佳浓度和摩尔比，此时 STARM 能有效模拟自然细胞的基本结构。
• 离子响应性 STARM 的构建：研究人员构建了离子响应性的 STARM，以锌离子（Zn^{2 +}）为例，当 Zn^{2 +}存在时，STARM 能通过其表面的 Zn^{2 +}敏感 DNAzyme 感知离子，进而展示出靶向 MET 受体的适配体（Apt^MET），与 MET 阳性的 A549 细胞发生接触依赖通讯。实验表明，Zn^{2 +} - STARM - Apt^MET对 Zn^{2 +}具有高度的选择性和特异性，在 Zn^{2 +}激活后，其与 A549 细胞的粘附能力显著增强，且在不同条件下具有良好的稳定性。
• 离子诱导的嵌合原组织形成：受自然细胞在发育和再生过程中通过细胞 - 细胞粘附形成多细胞组织的启发，研究人员设计并合成了一系列离子响应性 STARM，与不同的哺乳动物细胞共培养。结果显示，Zn^{2 +}刺激能使 STARM 与相应的哺乳动物细胞特异性结合，并促进嵌合原组织的形成，这表明 STARM 平台具有构建合成组织的潜力。
• 光响应性 STARM 的信号调节：研究人员利用 STARM 的模块化特性，开发了光响应性 STARM（Light - STARM - Apt^MET）。通过将光热活性的金纳米棒（AuNRs）整合到 STARM 设计中，使其能够响应近红外（NIR）光。NIR 光照射后，Light - STARM - Apt^MET温度升高，表面通透性增强，Apt^MET得以展示，从而与 MET 阳性的 A549 细胞结合并激活下游信号通路（如 AKT 和 ERK），实现对细胞信号的精确调控。
• 双渠道电路的正交信号控制：为了在复杂的多细胞系统中实现对细胞信号的精确控制，研究人员构建了一个双渠道电路，整合了离子响应性的 Zn^{2 +} - STARM - Apt^MET和光响应性的 Light - STARM - Apt^FGFR1。实验表明，该双渠道电路能够在不同刺激下，对不同哺乳动物细胞类型的受体介导信号通路进行正交调控，有效避免了不同细胞类型之间的干扰。
• STARM 在体内的治疗潜力：研究人员利用骨骼肌损伤动物模型，评估了 STARM 在体内的治疗潜力。他们将 Light - STARM - Apt^FGFR1注射到受伤部位，并进行 NIR 光照射。结果发现，Light - STARM - Apt^FGFR1能够激活 FGFR1 信号通路，促进肌肉干细胞的募集、增殖和分化，显著增强肌肉再生，且具有良好的生物相容性。

研究结论和讨论部分指出，STARM 的设计和功能代表了人工细胞技术的重大进步，它提供了可编程和可定制的分子工具包，实现了人工细胞与自然细胞之间可控的通讯。与传统的合成生物学策略不同，STARM 采用完全自下而上的方法，摆脱了遗传限制和对天然细胞机制的依赖。通过整合不同的功能模块，STARM 能够灵活地响应不同的刺激，实现对多种细胞功能的调控。然而，STARM 的尺寸分布可能会影响其响应性和功能，未来需要进一步优化以提高尺寸均匀性。此外，研究人员还展望了未来的研究方向，包括拓展 STARM 能够响应的刺激范围、开发具有响应电路的 STARM 以及构建多层细胞通讯网络等。这些研究成果为智能人工细胞在再生医学中的应用开辟了新的道路，有望为未来的生物医学治疗带来新的突破。