共軛聚合物的光學性能在生物領域的新應用

　　近年來，有機半導體因具有易功能化、高度生物相容性等優異性能而成為生物技術領域極具前景的材料。同時，有機半導體對可見光和近紅外光有很強的敏感性。利用共軛聚合物和有機分子作為外源性光敏驅動器，對細胞電生理活動進行光調制，也可用于人工視覺假體、光熱刺激或抑制細胞活性、調節動物行為等領域。但是很少考慮利用聚合物光傳導機制對活細胞發育的早期階段進行調控。目前主流的可靠調控干細胞和祖細胞再生的方法主要依賴于使用化學線索。然而，這些方法都存在不可逆性和缺乏空間選擇性的局限性。無論何時通過常規靜脈注射或口服進行體內應用時，主要存在神經營養分子擴散的問題。此外，自體細胞療法的治療效果往往會因移植率低、存活時間長以及干細胞在目標組織環境中整合性差而受損。

　　基于此，意大利理工學院的M. R. Antognazza和F. Lodola（共同通訊作者）聯合報道了一種新策略對內皮細胞形成集落細胞的光學控制，這是唯一已知的真正的內皮前體在體外具有強大的增殖能力和體內壓倒血管的能力。對比當前的機電和化學刺激方法，將共軛聚合物用作光致動器的光刺激具有明顯優勢。光調制提供了空前的空間和時間分辨率，同時具有較低的侵入性和較高的選擇性。聚合物調控的光激發在體外誘導增殖和管腔內穩定的增強。潛在的生物物理途徑是光誘導的TRPV1通道的激活。總之，該工作為體外誘導血管生成提供了一種有效的方法，為提高體內自體細胞治療效果提供了理論依據。該成果以題為“Conjugated polymers optically regulate the fate of endothelial colony-forming cells”發表在Sci. Adv.上。

　　【圖文解讀】

圖一、用于光學刺激ECFC培養的聚合物器件

（A）P3HT聚合物的光吸收光譜；（B）電鍍后在固定時間點的ECFC存活率；（C）用于評估聚合物調控的細胞光激發對細胞形成集落影響的實驗裝置和光學激發方案。

圖二、聚合物調控TRPV1的光激活刺激ECFCs中的增殖

（A）在裸玻璃和P3HT薄膜上進行長期光激發，培養ECFCs增殖速率的相對變化，并將相應的對照樣品置于黑暗條件下；（B）不存在（CTRL）和存在10 mM辣椒紅素（CPZ）、10 mM釕紅（RR）、20 mM RN-1734（RN-1734）和30 mM BAPTA-AM（BAPTA）的情況下，在P3HT上進行長期光激發的ECFCs增殖速率的相對變化。

圖三、光誘導的光激發刺激ECFC培養中形成小管

（A-D）在長期光激發下，在裸玻璃和P3HT上的ECFCs體外管狀網絡的代表性圖像，以及在黑暗條件下對應的對照樣品的代表圖像；（E）表示拓撲分析所考慮的毛細管狀網絡的典型主要特征的草圖；（F-H）在不同條件下分析的主段數、主連接數和網格數。

圖四、光誘導TRPV1激活促進ECFC體外成管作用

（A-D）ECFCs的體外管狀網絡的代表性光學圖像經過長期光激發后播種在裸玻璃或P3HT薄膜上，并分別用CPZ、RR、RN-1734和BAPTAAM處理；（E-G）有無[control（CTRL）]的情況下，經受長期光激發的PFC上的ECFC的主片段、主結和網格的相對變化。

圖五、光電轉導機制

（A）一種電絕緣的導熱材料（光刻膠）已成功用作ECFC播種基質；（B）光刻膠的長期光激發不會導致腎小管生成參數的大幅提高；（C）在聚合物和玻璃基板上對ECFC培養物進行長期光激發后，評估細胞內產生的ROS。

圖六、光誘導的光刺激促進p65 NF-kB核易位并誘導ECFCs中促血管生成基因的表達

（A-C）接種在P3HT樣品和玻璃質對照上的ECFCs經受長期光刺激方案，相應的對照樣品保持在黑暗條件下。光刺激后，評估p65 NF-kB核易位（A和B）和已證明在NF-kB下游被激活的微管/血管生成基因mRNA的水平（C）。

　　【小結】

　　綜上所述，作者的發現從原理上的證明了利用光調制可直接控制祖細胞群，即ECFCs。通過使用生物相容的光敏聚合物作為光轉導元件，可以在體外激活ECFC血管生成活性。首先，利用光調制可以以完全可逆的方式實現空前的空間和時間分辨率。此外，使用具有較低能隙的不同聚合物可以為光學增強體內治療性血管生成鋪平道路。但是需要進一步的工作來了解是否通過調節照明方案或強度以進一步增強血管的形成。總之，將有機半導體與基因操作相結合，可以增加內源性TRPV1的表達，可能足以恢復心血管患者自體ECFCs的修復表達。