ATP介导的自然细胞与人工细胞间双向通讯用于受控生物反应

《Advanced Functional Materials》：ATP-Mediated Bidirectional Communication Between Natural and Artificial Cells for Controlled Bioreactions

　　

活细胞与人工细胞之间的通讯是构建具有协同行为的混合体系的基础步骤。研究人员介绍了一种ATP介导的能量转导机制，该机制实现了自然树突状细胞与刺激响应性聚合物囊泡（polymersome）人工细胞之间的双向通讯。聚合物囊泡配备了一种光开关螺吡喃衍生物，可对膜通透性进行光门控控制。在紫外（UV）照射下，膜通透性瞬时升高，允许ATP跨膜转运。这实现了从自然细胞到人工细胞的信号转导，表现为ATP摄取触发内部凝聚（coacervation）以及聚合物囊泡内ATP依赖性萤火虫荧光素酶反应。相反，含有ATP或丙酮酸激酶（pyruvate kinase, PK）的人工细胞向周围树突状细胞释放ATP，导致细胞内钙水平升高。该系统由此通过能量摄取和信号生成（从自然细胞到人工细胞）以及代谢刺激（从人工细胞到自然细胞）建立了相互的分子对话。该研究为动态细胞-材料相互作用和受控生化通讯提供了稳健平台，推动人工细胞与活细胞整合走向工程化信号界面和可编程生物杂合系统。

细胞通讯几乎是一切生物学功能的基础，包括组织形态发生、免疫调节、稳态维持和再生。合成生物学与生物工程的重要目标之一是在人工平台上重建这种通讯模型。三磷酸腺苷（adenosine triphosphate, ATP）作为主要能量载体，驱动信号转导、膜转运和酶调控等过程。然而，现有合成细胞与活细胞之间的通讯多为单向信号释放，缺乏长期共培养稳定性、可精确调控的分子运输，以及以ATP同时作为信号和能量来源的双向交互策略。为此，研究人员构建了一个基于刺激响应性聚合物囊泡（polymersome）的ATP介导双向通讯平台，论文发表在《Advanced Functional Materials》。

研究人员利用微流控技术制备了聚丁二烯-聚环氧乙烷（PB₂₂-PEO₁₄）嵌段共聚物囊泡，掺入光开关螺吡喃衍生物SPC16，通过紫外（UV）和可见光（Vis）照射可逆调控膜通透性。以小鼠树突状细胞系DC2.4和巨噬细胞系J774A.1为天然细胞模型，实现了双向通讯：一方面，裂解细胞释放的ATP经UV门控进入囊泡，驱动内部凝聚和ATP依赖性萤火虫荧光素酶反应；另一方面，囊泡内封存的ATP或丙酮酸激酶（pyruvate kinase, PK）反应生成的ATP，经UV触发释放至胞外，升高细胞内钙水平。该平台具备长期稳定性、低细胞毒性和可控性，为人工-活细胞整合和可编程生物杂合系统提供了新途径。

主要关键技术方法包括：①基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片的双乳液法制备聚合物囊泡，分别以油醇或甲苯为有机溶剂形成油醇基囊泡（OAPs）和甲苯基囊泡（TPs）；②将光敏分子SPC16预先掺入聚合物溶液，使囊泡膜具有光响应性；③利用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）、紫外-可见吸收光谱、浊度测定、发光检测等技术表征膜通透性、分子转运和酶反应；④采用CellTiter-Glo评估细胞活力，Fluo4AM染色结合共聚焦成像检测细胞内钙离子（Ca²⁺）水平。样本来源为小鼠树突状细胞系DC2.4和小鼠巨噬细胞系J774A.1。

### 2.1 自然细胞与人工细胞的共培养

通过微流控制备OAPs和TPs，并负载钙黄绿素验证封装效率。在相应补充培养基中与DC2.4/J774A.1共培养，时间序列成像显示TPs在16 h后仍有约50%完整，而OAPs在1 h内破裂。细胞活力测定显示两种囊泡共培养后DC2.4活力约为83–85%。由此证明TPs因致密、有序的溶剂蒸发膜而具有长期共培养稳定性，更适合用于细胞间通讯研究。

### 2.2 人工细胞的可控通透性

将SPC16掺入膜后，UV照射可使其由螺吡喃形式异构化为部花青（merocyanine）形式，产生瞬态膜缺陷。CLSM显示仅SPC16-TPs在UV后出现膜红色荧光，而SPC16-OAPs无激活。UV-Vis光谱证实500–650 nm特征吸收峰及Vis可逆性。通过UV-Vis交替照射，观察到囊泡直径可逆变化达20%，钙黄绿素在UV后快速内流，而大于1 kDa的FITC-葡聚糖不能通过，说明分子截留阈值约1 kDa。这些结果表明TPs膜通透性可被光可逆调控。

### 2.3 通过聚合物膜的ATP转运

在SPC16-TPs-PLL囊泡内封装聚赖氨酸（poly-L-lysine, PLL），外部供应ATP。UV照射后，ATP进入囊泡并与PLL静电结合形成复合凝聚层，共聚焦下可见FITC-PLL荧光富集，Vis后囊泡形态恢复。ATP浓度依赖实验显示，0.25–1 mg mL^?1 ATP时凝聚效率为64–81%，0.05 mg mL^?1时降至12%。此外，将裂解DC2.4释放的ATP加入外液，UV后同样出现凝聚，效率约78%，证明自然细胞来源的ATP可被光控转运进入人工细胞。

### 2.4 自然细胞到人工细胞的ATP驱动通讯用于酶促生物发光

在囊泡内封装萤火虫荧光素酶（firefly luciferase），ATP浓度与发光强度正相关。以合成ATP为外源底物时，UV照射后发光强度从约50 AU升至350 AU；以裂解DC2.4或J774A.1释放的ATP为底物时，UV后发光显著增加并随时间因ATP消耗而下降。这证明从自然细胞释放的ATP可跨膜进入人工细胞，驱动ATP依赖性酶反应，实现自然到人工的信号转导。

### 2.5 通过ATP生成反应实现人工细胞到自然细胞的通讯

将ATP封装于SPC16-TPs-ATP，UV后释放的ATP与外部PLL形成凝聚，表现为浊度增加；将SPC16-TPs-ATP与Fluo4AM标记的DC2.4共培养，UV后细胞内Ca²⁺荧光升高约18%。进一步在囊泡内进行丙酮酸激酶反应（SPC16-TPs-PK），将磷酸烯醇丙酮酸（phosphoenolpyruvate, PEP）转化为丙酮酸并生成ATP，UV后释放ATP引起DC2.4内Ca²⁺荧光平均升高超过100%，高于预封装ATP的囊泡。胞外ATP通过激活P2X7受体和P2Y受体偶联的磷脂酶C（phospholipase C, PLC）/三磷酸肌醇（inositol trisphosphate, IP₃）通路导致细胞内钙释放。这些结果证明人工细胞可通过酶反应生成并释放