控制活體動物行為的技術:在細胞上建構 導電聚合物

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生物科技不斷的發展突破,目前科學家利用遺傳工程結合高分子化學,直接利用活生物體的複雜細胞結構來合成,製造和組裝生物電子材料。這些 導電聚合物 能夠調節特定神經元群體的膜特性,並能控制活體動物的行為。未來如駭客任務將資訊從母體傳到人類身上也並非天方夜譚,甚至像科幻小說一般用晶片遠距離操控人類或動物的行為。

圖1. 導電聚合物組裝技術

美國史丹佛大學精神科醫師兼生物工程學家,戴塞羅斯(Karl Deisseroth)團隊於2020年的3月在Science期刊發表了一篇論文,其內容為讓特定細胞在其表面製造導電或不導電聚合物的方法。未來研究人員或許能應用這項技術控制某些神經疾病如癲癇,或改良義肢與腦的連接介面。

這項技術也能幫助電療醫學中的電脈衝治療。研究人員一直期望能引進傳導或抑制電流的聚合物,而不損傷鄰近組織。例如在治療癲癇時,刺激特定細胞比服藥更有效,因為藥物會擴散全身,引起副作用。但目前的電療使用電極的方式會無差別地影響各種細胞。

此項技術利用腺伴隨病毒(Adeno-associated viruses, AAV)把Apex2基因帶入指定的細胞中,使其在表面製造Apex2酵素。這種酵素會催化細胞間隙中的前驅分子和過氧化氫(H2O2),讓前驅分子在細胞外結合成聚合物。是由聚苯胺(PANI)和聚(3,4-乙撐二氧噻吩)(PEDOT)製成的導電聚合物。選擇這些聚合物用於水溶性合成 (Aqueous synthesis),這對生物系統的相容性很重要以及電子和離子的雙重傳導,從而在電子與活細胞連接時降低了局部電化學阻抗。這項設計能在活體組織內組合出導電聚合物,形成特定細胞的操作介面。

研究人員利用大鼠海馬神經元、幹細胞分化的人類腦細胞模型和活蠕蟲進行試驗並追蹤細胞功能。他們也把成份注射到小鼠腦內,以驗證它們沒有毒性。此項研究證實能控制PANI蠕蟲運動的方式導致行為變化。該研究也能更精準的刺激目標細胞,此舉將改善憂鬱症或帕金森氏症的治療流程,也可能針對負責把訊息傳回腦部的細胞,讓裝設義肢的截肢者重拾肢體感覺。

未來的工作可能會解決潛在的局限性問題;例如,隨著時間的流逝,反應產物可能會在目標細胞內或目標細胞附近佔據大量空間,這在某些情況下可能有益,但也可能導致細胞毒性。

功能聚合物的遺傳目標組裝不僅可以保留神經元的活性,而且還可以在自由運動的動物中實現膜特性的重塑和細胞特定類型的行為的調節。這種方法可以在生命系統中創建多樣化,複雜和功能化的結構和材料。

Genetically targeted chemical assembly of functional materials in living cells, tissues, and animals

參考文獻

Liu, J., Kim, Y. S., Richardson, C. E., Tom, A., Ramakrishnan, C., Birey, F., … & Deisseroth, K. (2020). Genetically targeted chemical assembly of functional materials in living cells, tissues, and animals. Science367(6484), 1372-1376.

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