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從遠處控制生物和物體的能力是科幻小說和幻想中流行的超自然才能：例如，女巫向敵人投擲咒語，X戰警用意念移動椅子和桌子。但是，當談到遠端控制生物有機體時，科學也有一些訣竅——儘管它們沒有任何玄學的成分。以最小的干擾來操縱生物過程，從細胞層面到整個生物體的行為，是一項蓬勃發展的科學努力，旨在更好地瞭解生物的運作方式，併為一系列醫學疾病開發更有效的治療方法。
最近，研究人員基本上創造了一種磁性遙控器，可以改變細胞功能並改變微小蠕蟲的行為。來自紐約州立大學（S.U.N.Y.）布法羅分校的一個生物物理學家團隊使用磁性奈米粒子來控制熱啟用蛋白門，稱為離子通道，這些通道嵌入神經細胞膜中，從而使研究人員能夠隨意刺激線蟲的簡單反射。這是科學家首次將熱和奈米磁性粒子結合起來控制細胞功能，這項新技術於6月27日在《自然·奈米技術》雜誌線上發表，與早期和替代的離子通道操縱方法相比，具有一定的優勢。
“這個想法是透過翻轉磁性開關來啟動細胞中特定的生化過程，”生物醫學工程師喬恩·多布森說道，他已經在英國斯塔福德郡基爾大學使用磁性粒子操縱細胞功能超過 10 年。“磁鐵的好處在於，您實際上不必觸控細胞即可將其開啟或關閉——它是遠端控制的。”
如果您想控制活細胞內部的過程，您必須面對守門人——分子泵、孔和通道，它們調節顆粒進出細胞的運輸。神經細胞依靠離子通道和泵來協調帶電粒子在細胞膜上的持續流動，這使得神經用於通訊的電訊號能夠產生。在您可以擺弄離子通道之前，您需要弄清楚是什麼打開了它——您必須找到正確的鑰匙。
不同的離子通道對不同型別的刺激做出反應。一些水母、藻類和細菌產生光啟用的離子泵和通道。其他離子通道對機械力做出反應。還有一些離子通道只有在正確的分子與它們結合時才會開啟。在新研究中，科學家們專注於溫度敏感的離子通道，這些通道在足夠熱時會開啟。研究人員將奈米粒子結合到細胞膜上，並使用磁場加熱奈米粒子，然後奈米粒子又打開了嵌入細胞膜中的熱啟用離子通道。
多布森說：“這項研究的獨特之處在於它使用了熱，因此您不必依賴如此強的磁場。” 他進一步解釋說，以前的大多數工作主要使用微小的磁鐵透過以正確的方式推或拉來開啟離子通道。“要機械地扭轉或拉動粒子，需要非常強的磁場。要加熱它們，磁場強度可以低得多，”他說。磁操縱也比光遺傳學具有優勢，光遺傳學是一種相對較新的技術，它使用光束精確地刺激或沉默神經元。雖然可見光無法深入穿透生物組織，並且必須透過侵入性手術應用於高度特定的細胞群，但磁場是非侵入性的，並且容易穿透整個生物體。
紐約州立大學布法羅分校的團隊決定測試他們是否可以透過操縱一毫米長的線蟲秀麗隱杆線蟲感覺神經元中的熱啟用離子通道來控制其簡單的反射。每當秀麗隱杆線蟲檢測到有害的熱量時，它都會本能地退縮並向後爬行，以避免潛在的傷害——這種行為依賴於溫度敏感的離子通道。該團隊的目標是使用磁性遙控器觸發這種反射。
在向線蟲注射磁性奈米粒子之前，科學家們首先用聚乙二醇包覆錳鐵奈米粒子，聚乙二醇是一種將粒子靶向到雙器區域（線蟲口部附近的開口，容納參與熱迴避反射的神經細胞）粘液層的分子。然後，他們施加了一個射頻電磁場，該電磁場透過迫使奈米粒子不斷切換自身的極性來加熱奈米粒子，從而在此過程中釋放熱量。溫度的升高打開了雙器區域神經細胞中的離子通道，允許鈣離子流入，從而觸發了熱迴避反射。
在施加磁場五秒鐘內，研究中的 40 條蠕蟲中有 34 條停止了移動，其中 27 條蠕蟲向後移動，彷彿正在從危險的熱源中撤退。沒有磁性奈米粒子的線蟲繼續向前蠕動，完全不受磁場的影響。
用遙控器迫使蠕蟲倒退可能看起來是這項新研究的 crowning achievement。然而，研究人員首先在細胞培養物上測試了他們的技術，然後才推進到整個生物體——這種方法展示了更高的實驗複雜性。“眾所周知，您可以注射磁性奈米粒子並加熱它們，因此對我來說，線蟲研究不如早期的測試那麼優雅，”多布森說。“他們真正有趣的事情是基因工程改造細胞以表達熱敏感離子通道——這是真正的創新，在論文的第一部分。”
在擺弄蠕蟲之前，紐約州立大學布法羅分校的團隊在人類胚胎腎細胞培養物和小鼠海馬體（大腦中對記憶至關重要的部分）的神經元上嘗試了他們的技術。在線蟲實驗中，研究人員將奈米粒子靶向到天然存在於蠕蟲神經細胞膜中的溫度敏感離子通道，而在人類和小鼠細胞中，科學家們插入了熱啟用離子通道 TRPV1 的基因。但是，工程改造細胞以表達 TRPV1 只是複雜過程中的一步。研究人員還需要一種方法將奈米粒子結合到細胞膜上，以便他們可以影響 TRPV1 的活性。為了實現這一點，科學家們將細胞膜和奈米粒子變成了一種複雜的鎖和鑰匙。
研究人員沒有用聚乙二醇包覆奈米粒子，而是用一種名為鏈黴親和素的細菌蛋白包覆了它們。他們還對細胞進行基因工程改造，使其在細胞膜中表達某些肽分子，這些肽分子充當鏈黴親和素的鎖，確保奈米粒子會結合到細胞膜上。科學家們還在奈米粒子上包覆了一種名為 DyLight549 的熒光分子，它充當分子溫度計，在不同溫度下發出不同強度的光。
在用分子助手裝備奈米粒子並工程改造細胞膜以接收奈米粒子後，該團隊將奈米粒子溶液應用於細胞培養物並打開了磁場。幾乎立即，細胞發出的熒光發生了變化：沿著細胞膜，熒光強度降低，這（違反直覺地）表明該位點的溫度正在升高，而細胞的其他任何地方都沒有升高。換句話說，研究人員實現了細胞膜的難以置信的區域性加熱，而沒有影響細胞的其餘部分。
熱量足以啟用 TRPV1，開啟通道，讓鈣離子大量湧入，並觸發引導神經細胞功能的動作電位（電訊號）。
紐約州立大學布法羅分校物理學助理教授、自然·奈米技術研究的合著者阿恩德·普拉勒說：“原則上，我們正在做的是讓鈣遠端流入細胞。” “如果您考慮生物學，會發現很多細胞事件是由鈣流入觸發的，隨後會使細胞分泌某些物質或使肌肉抽搐。” 普拉勒解釋說，遠端控制離子通道最終可能會帶來前所未有的精確操縱生物過程的能力——具有重要的臨床和治療潛力。
普拉勒建議，使用熱來摧毀腫瘤是一種可能的應用。治療癱瘓或鼓勵功能失調的器官分泌重要化合物也是可能的。“我認為這個領域肯定有很多潛力，”多布森說。“這些粒子在體內具有相對良好的耐受性，我們可以基本上控制事物的開啟或關閉。但在進入臨床之前，還需要做更多聰明的工作。”