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从远处控制生物和物体的能力是科幻小说和幻想中流行的超自然才能：例如，女巫向敌人投掷咒语，X战警用意念移动椅子和桌子。但是，当谈到远程控制生物有机体时，科学也有一些诀窍——尽管它们没有任何玄学的成分。以最小的干扰来操纵生物过程，从细胞层面到整个生物体的行为，是一项蓬勃发展的科学努力，旨在更好地了解生物的运作方式，并为一系列医学疾病开发更有效的治疗方法。
最近，研究人员基本上创造了一种磁性遥控器，可以改变细胞功能并改变微小蠕虫的行为。来自纽约州立大学（S.U.N.Y.）布法罗分校的一个生物物理学家团队使用磁性纳米粒子来控制热激活蛋白门，称为离子通道，这些通道嵌入神经细胞膜中，从而使研究人员能够随意刺激线虫的简单反射。这是科学家首次将热和纳米磁性粒子结合起来控制细胞功能，这项新技术于6月27日在《自然·纳米技术》杂志在线发表，与早期和替代的离子通道操纵方法相比，具有一定的优势。
“这个想法是通过翻转磁性开关来启动细胞中特定的生化过程，”生物医学工程师乔恩·多布森说道，他已经在英国斯塔福德郡基尔大学使用磁性粒子操纵细胞功能超过 10 年。“磁铁的好处在于，您实际上不必触摸细胞即可将其打开或关闭——它是远程控制的。”
如果您想控制活细胞内部的过程，您必须面对守门人——分子泵、孔和通道，它们调节颗粒进出细胞的运输。神经细胞依靠离子通道和泵来协调带电粒子在细胞膜上的持续流动，这使得神经用于通信的电信号能够产生。在您可以摆弄离子通道之前，您需要弄清楚是什么打开了它——您必须找到正确的钥匙。
不同的离子通道对不同类型的刺激做出反应。一些水母、藻类和细菌产生光激活的离子泵和通道。其他离子通道对机械力做出反应。还有一些离子通道只有在正确的分子与它们结合时才会打开。在新研究中，科学家们专注于温度敏感的离子通道，这些通道在足够热时会打开。研究人员将纳米粒子结合到细胞膜上，并使用磁场加热纳米粒子，然后纳米粒子又打开了嵌入细胞膜中的热激活离子通道。
多布森说：“这项研究的独特之处在于它使用了热，因此您不必依赖如此强的磁场。” 他进一步解释说，以前的大多数工作主要使用微小的磁铁通过以正确的方式推或拉来打开离子通道。“要机械地扭转或拉动粒子，需要非常强的磁场。要加热它们，磁场强度可以低得多，”他说。磁操纵也比光遗传学具有优势，光遗传学是一种相对较新的技术，它使用光束精确地刺激或沉默神经元。虽然可见光无法深入穿透生物组织，并且必须通过侵入性手术应用于高度特定的细胞群，但磁场是非侵入性的，并且容易穿透整个生物体。
纽约州立大学布法罗分校的团队决定测试他们是否可以通过操纵一毫米长的线虫秀丽隐杆线虫感觉神经元中的热激活离子通道来控制其简单的反射。每当秀丽隐杆线虫检测到有害的热量时，它都会本能地退缩并向后爬行，以避免潜在的伤害——这种行为依赖于温度敏感的离子通道。该团队的目标是使用磁性遥控器触发这种反射。
在向线虫注射磁性纳米粒子之前，科学家们首先用聚乙二醇包覆锰铁纳米粒子，聚乙二醇是一种将粒子靶向到双器区域（线虫口部附近的开口，容纳参与热回避反射的神经细胞）粘液层的分子。然后，他们施加了一个射频电磁场，该电磁场通过迫使纳米粒子不断切换自身的极性来加热纳米粒子，从而在此过程中释放热量。温度的升高打开了双器区域神经细胞中的离子通道，允许钙离子流入，从而触发了热回避反射。
在施加磁场五秒钟内，研究中的 40 条蠕虫中有 34 条停止了移动，其中 27 条蠕虫向后移动，仿佛正在从危险的热源中撤退。没有磁性纳米粒子的线虫继续向前蠕动，完全不受磁场的影响。
用遥控器迫使蠕虫倒退可能看起来是这项新研究的 crowning achievement。然而，研究人员首先在细胞培养物上测试了他们的技术，然后才推进到整个生物体——这种方法展示了更高的实验复杂性。“众所周知，您可以注射磁性纳米粒子并加热它们，因此对我来说，线虫研究不如早期的测试那么优雅，”多布森说。“他们真正有趣的事情是基因工程改造细胞以表达热敏感离子通道——这是真正的创新，在论文的第一部分。”
在摆弄蠕虫之前，纽约州立大学布法罗分校的团队在人类胚胎肾细胞培养物和小鼠海马体（大脑中对记忆至关重要的部分）的神经元上尝试了他们的技术。在线虫实验中，研究人员将纳米粒子靶向到天然存在于蠕虫神经细胞膜中的温度敏感离子通道，而在人类和小鼠细胞中，科学家们插入了热激活离子通道 TRPV1 的基因。但是，工程改造细胞以表达 TRPV1 只是复杂过程中的一步。研究人员还需要一种方法将纳米粒子结合到细胞膜上，以便他们可以影响 TRPV1 的活性。为了实现这一点，科学家们将细胞膜和纳米粒子变成了一种复杂的锁和钥匙。
研究人员没有用聚乙二醇包覆纳米粒子，而是用一种名为链霉亲和素的细菌蛋白包覆了它们。他们还对细胞进行基因工程改造，使其在细胞膜中表达某些肽分子，这些肽分子充当链霉亲和素的锁，确保纳米粒子会结合到细胞膜上。科学家们还在纳米粒子上包覆了一种名为 DyLight549 的荧光分子，它充当分子温度计，在不同温度下发出不同强度的光。
在用分子助手装备纳米粒子并工程改造细胞膜以接收纳米粒子后，该团队将纳米粒子溶液应用于细胞培养物并打开了磁场。几乎立即，细胞发出的荧光发生了变化：沿着细胞膜，荧光强度降低，这（违反直觉地）表明该位点的温度正在升高，而细胞的其他任何地方都没有升高。换句话说，研究人员实现了细胞膜的难以置信的局部加热，而没有影响细胞的其余部分。
热量足以激活 TRPV1，打开通道，让钙离子大量涌入，并触发引导神经细胞功能的动作电位（电信号）。
纽约州立大学布法罗分校物理学助理教授、自然·纳米技术研究的合著者阿恩德·普拉勒说：“原则上，我们正在做的是让钙远程流入细胞。” “如果您考虑生物学，会发现很多细胞事件是由钙流入触发的，随后会使细胞分泌某些物质或使肌肉抽搐。” 普拉勒解释说，远程控制离子通道最终可能会带来前所未有的精确操纵生物过程的能力——具有重要的临床和治疗潜力。
普拉勒建议，使用热来摧毁肿瘤是一种可能的应用。治疗瘫痪或鼓励功能失调的器官分泌重要化合物也是可能的。“我认为这个领域肯定有很多潜力，”多布森说。“这些粒子在体内具有相对良好的耐受性，我们可以基本上控制事物的开启或关闭。但在进入临床之前，还需要做更多聪明的工作。”