细胞相互“交谈”以协调肌肉收缩、激素释放、神经元放电、消化和免疫激活等基本生物活动的主要方式之一是通过钙信号传导。
根据《自然纳米技术》 发表的一项新研究，莱斯大学的科学家们使用光激活分子机器来触发细胞间 钙波信号，揭示了控制细胞活动的强大新策略。这项技术可以改善对患有心脏病、消化问题等疾病的人的治疗。
“迄今为止开发的大多数药物都使用化学结合力来驱动体内特定的信号级联，”化学研究生、该研究的主要作者雅各布·贝克汉姆(Jacob Beckham)说。“这是第一次证明，你可以使用机械力代替化学力——在这种情况下，由单分子纳米机器诱导——来做同样的事情，这开启了药物设计的全新篇章。”
科学家使用基于小分子的致动器 ，在可见光刺激下旋转，以诱导平滑肌细胞中的钙信号反应。
我们对身体中的许多关键肌肉缺乏有意识的控制：心脏是一种不随意肌，静脉和动脉内壁有平滑肌组织，控制血压和循环;平滑肌排列在我们的肺和肠上，参与消化和呼吸。通过分子水平的机械刺激干预这些过程的能力可能会改变游戏规则。
“贝克汉姆已经证明，我们可以控制心肌中的细胞信号传导，这真的很有趣，”莱斯大学 TT 和 WF Chao 化学教授、材料科学和纳米工程学教授 James Tour 说。
图尔说：“如果你只刺激心脏中的一个细胞，它就会将信号传播到邻近的细胞，这意味着你可以对心脏功能进行有针对性的、可调节的分子控制，并可能减轻心律失常。”
这些分子机器由四分之一秒长的光脉冲激活，使科学家能够控制心肌细胞 培养物中的钙信号传导，从而导致不活跃的细胞放电。
“这些分子本质上充当了纳米除颤器，让这些心肌细胞开始跳动，”贝克汉姆说。
控制肌肉组织中细胞间通讯的能力可用于治疗以钙信号传导功能障碍为特征的多种疾病。
“很多瘫痪的人都有严重的消化问题，”图尔说。“如果你能在不进行任何化学干预的情况下通过刺激相关肌肉来缓解这些问题，那将是一件大事。”
这些分子大小的装置在活体生物体中激活了相同的基于钙的细胞信号传导机制，导致淡水息肉或寻常水螅全身收缩。
图尔说：“这是第一个利用分子机器来控制整个有机体的例子。”
细胞反应根据机械刺激的类型和强度而变化：快速、单向旋转的分子机器会引发细胞间钙波信号，而较慢的速度和多向旋转则不会。
此外，调节光的强度使科学家能够控制细胞反应的强度。
“这是分子尺度的机械作用，”图尔说。 “这些分子以每秒 300 万转的速度旋转，因为我们可以调整光刺激的持续时间和强度，所以我们可以对这种非常普遍的细胞机制进行精确的时空控制。”
Tour实验室 在之前的研究中表明，光激活分子机器可以用来对抗抗生素耐药性感染细菌、癌细胞 和病原真菌。
“这项工作从不同的方向扩展了这些分子机器的能力，”贝克汉姆说。“我喜欢我们实验室的一点是，我们在发挥创造力和在雄心勃勃的新方向上追求项目时无所畏惧。”
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