稳态人工细胞：为原组织球体构建自我保护的 “智能盾牌”

《Chem》：Homeostatic artificial cells enable self-protection in prototissue spheroids

在构建原组织并实现其有效通信及集体行为面临挑战的背景下，研究人员开展了人工细胞（ACs）稳态 pH 控制机制的研究。他们制备出可组织成原组织的 ACs，这些 ACs 能集体维持稳定微环境、保护货物。该研究为合成组织模拟提供了新方向。

　　在生命的奇妙世界里，细胞就像一个个勤劳的小工匠，它们相互协作，构建出具有各种复杂功能的组织。这些组织通过精妙的反馈调节机制维持着内环境的稳定，也就是我们常说的稳态（homeostasis） 。比如，稳定的 pH 水平对于细胞内的生理过程和新陈代谢至关重要，许多蛋白质只有在特定的 pH 条件下才能发挥最佳功能。然而，当我们尝试在实验室中用人工细胞（Artificial Cells，ACs）构建类似的组织 —— 原组织（prototissues）时，却遇到了重重困难。尽管 ACs 的研究已经取得了一些进展，比如开发出了多种不同结构和功能的 ACs，但如何将它们组织成更高层次的结构，并实现像真实组织那样有效的通信和集体行为，仍然是一个巨大的挑战。而且，现有的合成系统在调节 pH 方面也存在问题，难以精准控制，无法满足模拟真实组织功能的需求。

为了解决这些难题，来自德国美因茨大学（University of Mainz）和瑞士洛桑联邦理工学院（Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne，EPFL）的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Chem》杂志上，为人工组织的发展开辟了新的道路。

研究人员用到的主要关键技术方法有：首先是微流控技术（microfluidics），通过水 - 油 - 水（w/o/w）双乳液在双交叉微流控芯片中形成酶负载的聚合物微胶囊，之后进行光聚合；其次是利用 pH 响应性聚合物，设计带有不同基团的聚合物壳，如带有叔胺基团的聚阳离子壳和带有羧基的聚阴离子壳，以实现 ACs 对 pH 的响应和可逆渗透；此外，还运用了荧光显微镜技术，通过标记不同的荧光物质，如罗丹明 6G（R6G）、荧光素标记的葡聚糖（FITC-Dex）等，来监测 ACs 的状态变化、物质释放以及微环境的 pH 变化情况 。

稳态 ACs 的系统设计

研究人员通过微流控技术制备了稳态 ACs，它们由酶负载的聚合物微胶囊构成。设计了两种不同类型的 ACs：一种是负载脲酶（Urease）的 ACs，带有弱 pH 响应性的聚阳离子壳；另一种是负载葡萄糖氧化酶（Glucose Oxidase，GOx）的 ACs，带有弱 pH 响应性的聚阴离子壳。聚阳离子壳在酸性条件下，当 pH 低于特定值（PDEAEMA 为 6.9，PDiPAEMA 为 5.6）时，胺基质子化，壳变得亲水、肿胀且对小分子具有渗透性，脲酶催化尿素水解产生氨，使局部 pH 升高，当 pH 高于特定值时，壳关闭，阻止尿素进一步进入，实现自我调节；聚阴离子壳则相反，在 pH 高于 4.6 时，去质子化的羧酸盐使壳对葡萄糖具有渗透性，GOx 将葡萄糖转化为葡萄糖酸（Gluconic Acid，GA），降低局部 pH，当 pH 低于 4.6 时，质子化的羧基使壳关闭。

pH 响应性 ACs 的溶胀 - 收缩行为

不同的 ACs 根据其聚合物组成，在不同 pH 条件下表现出不同的溶胀和收缩行为。PDEAEMA 和 PDiPAEMA ACs 在酸性 pH 下溶胀，PDEAEMA ACs 在 pH 低于 6.9 时直径增加 27%，PDiPAEMA ACs 在 pH 低于 5.6 时溶胀更为明显，直径增加 63%；而 PMAA ACs 在碱性 pH 下溶胀，pH 升高时直径增加 39%。通过监测 ACs 对罗丹明 6G（R6G）的释放以及对不同分子量物质的截留分析发现，在溶胀状态下，PDEAEMA 和 PDiPAEMA ACs 允许小分子通过，而对 10 kDa 的葡聚糖不渗透，PMAA ACs 对 70 kDa 的葡聚糖不渗透 。

pH 调节能力和稳态 AC 行为

ACs 能够通过化学结构反馈精确调节 pH。当添加尿素或葡萄糖作为燃料时，底物透过溶胀的膜，触发碱或酸的产生，直到 pH 反馈使壳关闭。与游离酶不同，ACs 能将 pH 调节到特定值并稳定下来，如 PDEAEMA 脲酶 - ACs 将 pH 从 4.5 调节到 7.1，PDiPAEMA 脲酶 - ACs 调节到 5.6，GOx - ACs 将 pH 从 7.4 调节到 4.6 。而且，pH 调节速度可以通过改变 AC 浓度、酶浓度和燃料浓度来调整。此外，通过多次添加酸碱进行实验，证实了 ACs 可以进行多次 pH 重置循环，并且在早期阶段，AC 内部产生的物质会先在膜处建立平衡，之后内外 pH 达到平衡。

单个稳态 ACs 的自我保护

研究人员在单个 AC 层面展示了其自我保护功能。对于 PDEAEMA 脲酶 - ACs，通过引入葡萄糖酸内酯（Glucono delta - Lactone，GDL），在环境酸化时，ACs 能够通过产生氢氧根离子来稳定 pH；对于 GOx - ACs，当环境碱化时，它们可以通过产生葡萄糖酸来稳定 pH。这表明 ACs 能够有效防止货物泄漏并维持 pH 稳定。

稳态脲酶 - ACs 在球状原组织中的自我保护

研究人员将脲酶 - ACs 组装成球状原组织，通过添加磺酸功能化的聚苯乙烯珠子（PS - SO₃H beads）形成约 2μm 直径的球体。在模拟环境酸化的实验中，当没有 pH 反馈（无尿素）时，环境中的酸会使 ACs 溶胀并释放货物；而在有 pH 反馈（有尿素）时，只有最外层的 ACs 溶胀，内部的 ACs 由于微环境 pH 保持在 7 以上而受到保护，货物得以保留，这展示了原组织集体维持稳定微环境的自我保护功能。

多 AC 球体中脲酶 - ACs 和 GOx - ACs 通过 pH 信号的通信

研究人员设计了包含脲酶 - ACs 和 GOx - ACs 的多 AC 原组织。当葡萄糖扩散进入多 AC 球体并被 GOx - ACs 转化为 GA 后，局部 pH 降低。如果没有尿素，脲酶 - ACs 会溶胀并释放货物；而在有尿素的情况下，附近的脲酶 - ACs 会感知 pH 信号，产生反 pH 反馈，只有靠近 GOx - ACs 的脲酶 - ACs 发生反应，其他脲酶 - ACs 得到保护，实现了内部 pH 威胁的平衡。

研究结论和讨论部分指出，该研究首次展示了由稳态 ACs 组织的原组织球体中的自我保护机制。这些 ACs 能够准确感知和调节内部和外部的 pH 水平，通过集体行为维持稳定的微环境。它们在生物材料应用，如肿瘤免疫学领域具有潜在价值，有望通过对抗肿瘤引起的酸化，维持免疫支持环境，克服肿瘤免疫逃逸。这项研究为仿生人工组织的发展提供了重要的理论和实践基础，推动了合成生物学和组织工程领域的进步，让我们离构建更接近真实组织功能的人工组织又近了一步。