生物通報道：一組研究人員結合基因工程，小細胞支架，以及光遺傳學的作用原理，研發出了一種“光導凝膠（light-guiding hydrogels，生物通譯）”，從而實現了在體內檢測細胞表達的熒光蛋白，以及利用光刺激細胞，抑制糖尿病小鼠的高血糖水平。這一最新技術成果公布在10月20日的 Nature Photonics雜志上。

文章的第一作者，哈佛大學博士后研究員Myunghwan Choi表示， “我們只展示了光傳感和治療的一個例子，但是實際上細胞中存在超過兩萬個功能蛋白”，他還補充說，如果科學家通過遺傳工程，令這些細胞中的蛋白對光線作出反應，然后結合光導凝膠，就能夠更好地控制細胞，完成細胞療法。

創新性：

“目前人們已經完成了基于細胞的療法，也已經進行過以凝膠為基礎的療法，并且還有將這兩者結合在一起應用的，但是以受控的方式，利用凝膠的特性作為波導，光刺激（細胞），這還是第一次，”德州農工大學生物醫學工程教授Michael Pishko表示（未參與該項研究）。

此前已有將水凝膠用于藥物遞送的先例，其中的一些甚至獲得了美國食品和藥物管理局FDA的批準。這一領域利用細胞工程和光遺傳學方法進行臨床治療。“其實我們并沒有創建或發明什么”，這項研究的通訊作者Seok Hyun Yun表示，“我們只是將脫節的東西與巧妙的技術結合在一起，令它們在一個簡單系統中發揮作用……然后將它們移至體內。”

Seok-Hyun Yun曾與其他研究人員發明了單細胞生物激光器。

搭建一個激光器要求兩個條件：進行光放大的激光材料(即增益介質)和反射鏡組成的光學諧振腔來形成能量集中的準直光束。直到現在，激光增益介質一直都采用非生物物質如摻入元素的晶體、半導體或氣體等材料。Seok-Hyun Yun等人采用了增強型綠色熒光蛋白質(GFP)，這是一種使水母發光的物質并已經被廣泛用于細胞生物學進行熒光標記。研究小組構建人體胚胎細胞產生GFP，然后將單個細胞放置于兩個距離僅有20微米反射鏡形成的光學腔中。當他們用藍光激發細胞時，就會發出肉眼能見的準直激光，而且在此過程中細胞不會受到損傷。

重要性：

細胞療法發展迅速，但是也遇到了許多挑戰。尤其是當需要將細胞注射到小鼠或患者體內，并確定這些細胞達到了它們應該去的地方的時候。

劑量也是一個問題，因為很難分辨有多少細胞存活了下來，以及它們是否在體內正常工作。細胞可以通過基因工程，表達能對光產生應答的蛋白，但是一旦蛋白在體內表達，要讓光到達細胞也是十分困難，因為身體大部分組織的光學特性并不利于光的移動。

光導凝膠為解決這些問題提出了新方案。對于注入的水凝膠來說，這些細胞的位置是已知的。而且細胞能通過干凈的材料接收和發送光信息，就能“最大限度地提高細胞與外界的通信效率”。作者還表示，凝膠還能調控細胞釋放蛋白的活性，并且幫助細胞在體內存活，穩定環境。

有待改進：

當然這一系統也不是完美無缺，“研究人員采用的細胞是HeLa細胞，這些細胞具有潛在致瘤性，” Warren W.C. Chan（未參與該項研究）說，而且其安全性也有待考究。另外還有學者表示，這項研究也不清楚移植細胞造成的影響，這些都需要進一步的研究。

（生物通：張迪）

原文摘要：

M. Choi et al., “Light-guiding hydrogels for cell-based sensing and optogenetic synthesis in vivo,” Nature Photonics, doi:10.1038/nphoton.2013.278, 2013.

Polymer hydrogels are widely used as cell scaffolds for biomedical applications. Although the biochemical and biophysical properties of hydrogels have been investigated extensively, little attention has been paid to their potential photonic functionalities. Here, we report cell-integrated polyethylene glycol-based hydrogels for in vivo optical-sensing and therapy applications. Hydrogel patches containing cells were implanted in awake, freely moving mice for several days and shown to offer long-term transparency, biocompatibility, cell viability and light-guiding properties (loss of <1 dB cm−1). Using optogenetic, glucagon-like peptide-1 secreting cells, we conducted light-controlled therapy using the hydrogel in a mouse model with diabetes and obtained improved glucose homeostasis. Furthermore, real-time optical readout of encapsulated heat-shock-protein-coupled fluorescent reporter cells made it possible to measure the nanotoxicity of cadmium-based bare and shelled quantum dots (CdTe; CdSe/ZnS) in vivo.