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细胞通信进入光时代

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黄文光

科技导报 | 科技新闻 2025,43(18): 12-12

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细胞通信进入光时代

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出版时间: 2025-09-28

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细胞间通信作为多细胞生命活动的核心调控机制，天然细胞通过外泌体等胞外囊泡载体实现RNA等生物分子的定向传递与功能调控^[1]。在合成生物学领域，人工细胞通信系统的构建长期面临关键技术瓶颈：传统模型大多依赖小分子扩散或DNA信号传递，无法模拟天然外泌体对RNA的保护性运输及时空精准释放特性^[2]。这一局限严重制约了人工细胞向复杂生命功能模拟的突破。

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黄文光. 细胞通信进入光时代. 科技导报, 2025 , 43 (18) : 12 -12 .

黄文光. Science & Technology Review, 2025 , 43 (18) : 12 -12 .

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人工合成光响应外泌体精准递送RNA

荷兰埃因霍芬理工大学生物有机化学家Jan C.M. van Hest团队在《Angewandte Chemie Inter‐ national Edition》发表的研究成果，通过构建光激活合成外泌体系统有效突破了上述技术瓶颈^[3]。该团队采用一套“装—放—收”可控链路，让人工细胞像自然细胞一样用RNA对话：先把siRNA装进可光控的聚合物囊泡（polymer‐ some），再把囊泡收纳进以阳离子化淀粉为核心的“软核”共沉淀液滴并覆上半透膜；365 nm光触发后，囊泡表面的对硝基苄基团断裂、表面电荷翻转（从-11.1 mV反转至+12.0 mV），被静电“排出”液滴，像外泌体释放一样，把RNA送往邻近活细胞。实验证明，HeLa细胞在1~2 h内高效内吞这些“合成外泌体”；在10 min紫外照射条件下敲低效率达56%，且只在被照区域发生，形成“可编址”的旁分泌通信通道。首次在人工细胞与活细胞间建立起RNA介导的功能性通信路径。

多位领域专家认为，这项工作把材料化学、自组装与合成生物学“配平”到一个可复用的通信模块，也清晰暴露了走向应用的瓶颈。浙江大学化学工程与生物工程学院陈狄副研究员（《科技导报》青年编委，以下简称青编）指出：这套体系“从共聚物组成调控出发，通过多层级自组装形成类细胞结构，并在光照下利用邻硝基苯基团的裂解打破静电平衡，可控释放生物分子以调控真实细胞行为”，为“模仿生物学功能、发展新型智能系统提供化学基础”。中国科学院国家纳米科学中心覃好（青编）评价说：人工细胞为认识生命与发展智能医疗提供了“可控、简化”的试验平台，该研究“以光诱导的精准控释合成外泌体，实现了人工—天然细胞间RNA层级的交流”，作为模块化平台有望推动更拟真的通讯模式。中国科学院上海药物研究所的韩海浩（青编）则认为该研究的核心突破在于建立了“光控电荷反转释放”机制，实现RNA载体的主动释放调控，克服了传统小分子扩散缺乏特异性、DNA信号无需保护性运输的固有局限，解决了RNA在复杂环境中传递的时空调控难题。

但该技术离真正落地还存在不小挑战。陈狄和覃好均提醒道，紫外光对细胞有潜在杀伤如核酸断裂、细胞毒性等，且紫外光穿透能力有限，并非真实生理激励因子，未来应发展更贴合生物场景的环境响应材料。此外，天然系统存在双向反馈，目前仍更像“可控释放”，陈狄表示，如何从单一行为走向“集成式、多环路”的人造生命功能，是下一步关键。韩海浩进一步指出，RNA低封装效率（34%）和聚合物（PEG-b-P，聚己内酯-聚乙二醇衍生物）的长期代谢行为仍是瓶颈，覃好也强调未来必须要解决RNA在体内易降解、长期生物相容性不足等挑战，同时开发更温和的调控机制，提升装载与递送效率，才能实现动物模型甚至临床应用。韩海浩则提议通过优化化学修饰提高负载量，开发抗酶涂层增强稳定性，并探索近红外光或磁场等更适合体内环境的触发方式。

未来，该系统可进一步进行升级改造。韩海浩和上海交通大学医学院松江研究院的张君妍（青编）建议，在功能拓展方面，将siRNA替换为mRNA或CRISPRCas9系统，可实现蛋白质表达调控或基因编辑等复杂功能；其次，可整合生物传感器模块，使人工细胞能响应活细胞分泌的炎症因子等信号分子，构建“感知-响应”闭环调控网络；最后，通过PEG表面修饰增强血清稳定性，结合靶向配体修饰提高细胞识别特异性，将推动系统从细胞实验向动物模型转化。

从科学意义看，Jan等把“RNA信号”这条最贴近基因调控的路径移植进人工细胞世界，为精确、可编址的基因层级对话提供了范式；从工程落地看，若能以近红外/上转换或化学—酶级联替代紫外触发，并把单次“敲低”升级为有反馈的“表达—抑制”闭环，这枚“通信插件”才可能从培养皿走向组织微环境与在体应用。无论如何，它已把人工细胞的拟生行为从“分子代谢”推进到“基因对话”，为生命系统工程打开了新的练兵场。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

Jiang

S S

, Chen

Y X

, Fang

J Y

, et al. Fusobacterium nucleatum: Ecology, pathogenesis and clinical implications[J]. Nat Rev Microbiol, 2025, 26: 81- 82.

https://doi.org/10.1038/s41576-024-00798-8

Joesaar

, Yang

, Bögels

, et al. DNA-based communication in populations of synthetic protocells[J]. Nat Nanotechnol, 2019, 14: 369- 378.

https://doi.org/10.1038/s41565-019-0399-9

Cook

A B

, Sun

, Li

, et al. Photoactivatable synthetic exosomes for RNA-based communication between artificial cells and living cells[J]. Angew Chem Int Ed Engl, 2025, e202514041.

2025年第43卷第18期

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首发时间：2025-12-18
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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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