杨万泰院士/赵长稳教授ACS Nano：不仅给细胞“穿衣”，还能为细胞“加油”

活细胞的“盔甲”

在活细胞表面包覆（coating）一层人工壳层不仅能够保护细胞不受恶劣外部环境的影响，还能赋予细胞额外的功能。这一策略目前在细胞治疗、细胞传感以及组织工程等方面都展现出了巨大的前景。然而，细胞表面的均一包覆和改性不可避免地会阻塞细胞膜上的功能受体，从而阻碍其与周边环境以及其他细胞之间的相互作用和通讯。因此，为了保留包括胞间通讯、细胞粘附等细胞活性，部分包覆细胞是更为合理的表面功能化策略。然而，目前应用比较广泛的包覆策略很难实现细胞上的非对称改性，因此开发简便、规模化、通用的单细胞非对称改性手段是亟需解决的问题。

聚合物壳层修饰酵母

“穿衣”“加油”两不误

北京化工大学杨万泰院士、赵长稳教授等人在前期的工作中开发了一种壳层包覆方法，可在酵母细胞表面通过可见光引发的自由基聚合反应制造厚度可控的交联壳层。但是这种方法需要搅拌以防止细胞聚集，不适用于较为脆弱的细胞；同时这方法也只能制备全包覆细胞而无法实现对细胞的非对称包覆。为了克服这些弊端，杨万泰、赵长稳团队基于可见光引发的接枝聚合反应进一步开发了一种更加简便温和的包覆酵母细胞制备方法。在这一方法中，不仅无需进行机械搅拌，细胞还会因为被光均一辐照而进行更加有效的光反应。通过简单的调节可见光辐照强度和时间，研究可轻松实现对细胞的对称或者非对称表面改性。不仅如此，研究还阐释了可见光可在壳层上引发二次接枝聚合反应，从而引入功能化的聚丙烯酸钠（PAAS）聚合物分子刷。聚丙烯酸钠上的羧基可作为改性酵母细胞的反应位点与脲酶进行共价连接，由此非对称改性的酵母细胞可在尿素溶液中展现自推进（self-propelling）能力。考虑到水凝胶层的装载能力和接枝聚合反应衍生的结构多样性，这一细胞包覆策略有望成为定制细胞表面性质的强大工具。相关工作以“A Versatile Strategy to Coat Individual Cell with Fully/Partially Covered Shell for Preparation of Self-Propelling Living Cells”为题发表在ACS Nano。

一、在酵母细胞上制备完全包覆壳层

具有完全壳层的酵母细胞制备如下：在第一步中，首先聚阳离子聚乙烯亚胺（PEI）通过静电相互作用被吸附到酵母细胞表面，随后带正电的细胞沉降到带负电的载玻片上以形成单层。在第二步中，含有光引发剂（TX-Ct）和聚乙二醇丙烯酸（PEGDA）逐步滴到玻片形成薄层。在光辐照下，TX-Ct被激发并与PEI反应产生自由基，随后自由基引发PEGDA的聚合。由于PEI是被吸附在细胞表面，而PEGDA是一种双功能单体，因此可在细胞周围形成交联聚合物壳层（图1）。

图1cell@poly(PEGDA)的制备和表征

交联壳层的包覆会限制营养的进入，因此可能会阻滞细胞的分裂过程。研究发现，天然酵母细胞培养12小时后细胞数目快速增长，而改性酵母的分裂则会受到光辐照强度和时间的严重影响。当辐照强度为5 mW/cm 2的光辐照60分钟后，细胞分裂被推迟6.7小时，而当固定辐照强度为10 mW/cm 2、，辐照时间从20分钟延长到60分钟时，推迟时间则会从10.5小时增加到15.2小时。当强度为15 mW/cm 2的光辐照30分钟时，细胞的分裂被最大限度地抑制，其延迟时间达到了17.5小时，且在40小时内几乎完全无法生长。这些结果表明，壳层包覆程度越高、厚度越大，则细胞分裂延迟时间越长（图2）。

图2细胞分裂曲线和生存率

溶解酶lyticase能够消化酵母细胞细胞壁并造成细胞溶解，因此研究利用其来检测PEGDA聚合物壳层对酵母细胞的保护作用。如图2所示，天然酵母细胞对lyticase的抵抗能力极差，其细胞密度在5小时后急剧下降到了25%的水平。而由于壳层完整性以及厚度的存在，得到包覆的细胞稳定性较高。特别是当光参数设定为辐照强度为15 mW/cm 2、辐照时间为30分钟时，5小时后大约有60%的细胞未被溶解。

二、在酵母细胞上制备部分包覆壳层

作者在实验中发现，酵母细胞上形成PEGDA聚合物壳层是一个逐步完成的过程。因此作者认为细胞上发生的接枝聚合反应是非对称的。可见光的辐照来自于沉积在玻片上的细胞的顶部，因此朝向光源的细胞部分的聚合过程因辐照强度更高而发生得更快。这样一来，通过调节辐照强度和时间就可以制备非对称改性的酵母细胞。经过调试，研究发现当光参数设定为辐照强度为6 mW/cm 2、辐照时间为35分钟时，就可以获得非对称壳层（双面-PEGDA聚合物-细胞）（图3）。

图3双面-PEGDA聚合物-细胞的电镜表征

三、制备自推进酵母细胞

作者还进一步在双面-PEGDA聚合物-细胞表面进行丙烯酸钠的二次接枝聚合反应制备了双面-PAAS-细胞。该细胞再利用PAAS分子刷的羧基和脲酶的氨基之间的缩合反应可进一步功能化形成双面-脲酶-细胞（图4）。由于脲酶对尿素具有选择性催化活性，因此当双面-脲酶-细胞加入到尿素溶液中时，脲酶可催化尿素分解形成氨气和二氧化碳，驱动细胞进行定向自推进移动。在200mmol/L的尿素溶液中，双面-脲酶-细胞的移动速度可达到4.04 μm/s，相比之下，在无尿素溶液中双面-脲酶-细胞的平均速度只有0.107 μm/s。

图4双面-PAAS-细胞和双面-脲酶-细胞的制备和表征

结论：在这项工作中，作者发展了一种简单温和的策略，可通过可见光引发的接枝聚合反应在单个酵母细胞表面制备完全/部分包覆壳层。流式细胞检测分析表明，这一改性过程的细胞相容性良好，对酵母细胞几乎不产生毒性作用。壳层修饰的酵母细胞在分裂时具有明显的延迟，同时却又能增强对溶解酶溶解行为的抵抗作用。不仅如此，在非对称改性酵母细胞表面引发丙烯酸钠（AAS）的二次接枝聚合反应可形成双面-PAAS-细胞，该细胞利用PAAS分子刷的羧基和脲酶的氨基之间的缩合反应可进一步功能化形成双面-脲酶-细胞。在尿素溶液中，该双面-脲酶-细胞具有自推进能力，可进行定向移动。作者认为，这一改性单细胞的多样化策略在生物医学领域有望发挥巨大的作用。

文献链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c03896

来源：高分子科学前沿

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