共轭聚合物的光学性能在生物领域的新应用

　　近年来，有机半导体因具有易功能化、高度生物相容性等优异性能而成为生物技术领域极具前景的材料。同时，有机半导体对可见光和近红外光有很强的敏感性。利用共轭聚合物和有机分子作为外源性光敏驱动器，对细胞电生理活动进行光调制，也可用于人工视觉假体、光热刺激或抑制细胞活性、调节动物行为等领域。但是很少考虑利用聚合物光传导机制对活细胞发育的早期阶段进行调控。目前主流的可靠调控干细胞和祖细胞再生的方法主要依赖于使用化学线索。然而，这些方法都存在不可逆性和缺乏空间选择性的局限性。无论何时通过常规静脉注射或口服进行体内应用时，主要存在神经营养分子扩散的问题。此外，自体细胞疗法的治疗效果往往会因移植率低、存活时间长以及干细胞在目标组织环境中整合性差而受损。

　　基于此，意大利理工学院的M. R. Antognazza和F. Lodola（共同通讯作者）联合报道了一种新策略对内皮细胞形成集落细胞的光学控制，这是唯一已知的真正的内皮前体在体外具有强大的增殖能力和体内压倒血管的能力。对比当前的机电和化学刺激方法，将共轭聚合物用作光致动器的光刺激具有明显优势。光调制提供了空前的空间和时间分辨率，同时具有较低的侵入性和较高的选择性。聚合物调控的光激发在体外诱导增殖和管腔内稳定的增强。潜在的生物物理途径是光诱导的TRPV1通道的激活。总之，该工作为体外诱导血管生成提供了一种有效的方法，为提高体内自体细胞治疗效果提供了理论依据。该成果以题为“Conjugated polymers optically regulate the fate of endothelial colony-forming cells”发表在Sci. Adv.上。

　　【图文解读】

图一、用于光学刺激ECFC培养的聚合物器件

（A）P3HT聚合物的光吸收光谱；（B）电镀后在固定时间点的ECFC存活率；（C）用于评估聚合物调控的细胞光激发对细胞形成集落影响的实验装置和光学激发方案。

图二、聚合物调控TRPV1的光激活刺激ECFCs中的增殖

（A）在裸玻璃和P3HT薄膜上进行长期光激发，培养ECFCs增殖速率的相对变化，并将相应的对照样品置于黑暗条件下；（B）不存在（CTRL）和存在10 mM辣椒红素（CPZ）、10 mM钌红（RR）、20 mM RN-1734（RN-1734）和30 mM BAPTA-AM（BAPTA）的情况下，在P3HT上进行长期光激发的ECFCs增殖速率的相对变化。

图三、光诱导的光激发刺激ECFC培养中形成小管

（A-D）在长期光激发下，在裸玻璃和P3HT上的ECFCs体外管状网络的代表性图像，以及在黑暗条件下对应的对照样品的代表图像；（E）表示拓扑分析所考虑的毛细管状网络的典型主要特征的草图；（F-H）在不同条件下分析的主段数、主连接数和网格数。

图四、光诱导TRPV1激活促进ECFC体外成管作用

（A-D）ECFCs的体外管状网络的代表性光学图像经过长期光激发后播种在裸玻璃或P3HT薄膜上，并分别用CPZ、RR、RN-1734和BAPTAAM处理；（E-G）有无[control（CTRL）]的情况下，经受长期光激发的PFC上的ECFC的主片段、主结和网格的相对变化。

图五、光电转导机制

（A）一种电绝缘的导热材料（光刻胶）已成功用作ECFC播种基质；（B）光刻胶的长期光激发不会导致肾小管生成参数的大幅提高；（C）在聚合物和玻璃基板上对ECFC培养物进行长期光激发后，评估细胞内产生的ROS。

图六、光诱导的光刺激促进p65 NF-kB核易位并诱导ECFCs中促血管生成基因的表达

（A-C）接种在P3HT样品和玻璃质对照上的ECFCs经受长期光刺激方案，相应的对照样品保持在黑暗条件下。光刺激后，评估p65 NF-kB核易位（A和B）和已证明在NF-kB下游被激活的微管/血管生成基因mRNA的水平（C）。

　　【小结】

　　综上所述，作者的发现从原理上的证明了利用光调制可直接控制祖细胞群，即ECFCs。通过使用生物相容的光敏聚合物作为光转导元件，可以在体外激活ECFC血管生成活性。首先，利用光调制可以以完全可逆的方式实现空前的空间和时间分辨率。此外，使用具有较低能隙的不同聚合物可以为光学增强体内治疗性血管生成铺平道路。但是需要进一步的工作来了解是否通过调节照明方案或强度以进一步增强血管的形成。总之，将有机半导体与基因操作相结合，可以增加内源性TRPV1的表达，可能足以恢复心血管患者自体ECFCs的修复表达。