据物理学家组织网4月8日报道，美国华盛顿大学医学院的科学家们已经证明，他们能够诱导细胞朝一束光移动，这意味着，科学家们朝用光操纵细胞来控制胰岛素分泌或心率迈出了第一步，这一成果在医疗领域具有广泛的应用前景。相关研究发表在4月8日出版的美国《国家科学院院刊》PNAS网络版上。
新研究的实验对象是免疫细胞，该研究的主要负责人、麻醉学教授高塔姆博士和麻醉学副教授阿吉斯·卡如那拉斯使用遗传工程技术将感光蛋白——视蛋白引入这些免疫细胞内，接着，只通过朝他们希望细胞移动的方向照射了一束激光，就成功地引导了细胞朝该方向移动。随后，他们使用神经细胞进行了同样的实验，也获得了成功。
成功的关键就是“哄骗”细胞认为视蛋白是常见的受体蛋白。“我们在使用光作为开关控制细胞的行为方面取得了成功。”高塔姆表示，“细胞做出某些行为是因为它们能感应到周围环境中的信号。在我们进行的一系列实验中，细胞感应到光的出现。”
人体内的很多重要功能，从神经发育到胰岛素分泌、免疫细胞的功能以及心率等都被细胞周围的各种关键受体所控制。人类和其它动物在眼睛内制造视蛋白，当被光激活时，视蛋白允许细胞进入眼睛内，将光信号变成视力。
视蛋白属于目前广受关注的G蛋白偶联受体家族中的一员，这些G蛋白偶联受体在视力、触觉、行为、情绪、免疫系统调节、心率和肿瘤扩散等领域起关键作用。
在另一项最近也出版在美国《国家科学院院刊》网络版上的研究中，高塔姆团队通过让神经细胞暴露在光下，使其长出了分支（突起），目前，他们正使用心脏细胞进行实验，测试光信号是否能让心跳加速或减速。
他们计划用同样的方法来了解光是否能影响胰岛素的分泌、神经细胞的再生；研究细胞内的信号环路以便厘清分子通路网络如何控制细胞的行为。卡如那拉斯指出：“最终，我们会将多种感光蛋白‘塞入’这些细胞内。我们打算使用两种不同波长的光。当照射第一束光时，它可能会给第一个感光蛋白发送信号使心跳加快，接着，第二束光可能会被用来让心跳减速。”
高塔姆强调说：“用光控制细胞的移动不仅对免疫系统非常重要，在胚胎发育中也可以确保制造心脏、肝脏及其他器官的细胞好好工作，同时对癌症转移研究也大有裨益。”（生物谷Bioon.com）
doi:10.1073/pnas.1220755110
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Optical control demonstrates switch-like PIP3 dynamics underlying the initiation of immune cell migration
W. K. Ajith Karunarathnea, Lopamudra Giria, Anilkumar K. Patelb, Kareenhalli V. Venkateshb,1, and N. Gautama,c,1
There is a dearth of approaches to experimentally direct cell migration by continuously varying signal input to a single cell, evoking all possible migratory responses and quantitatively monitoring the cellular and molecular response dynamics. Here we used a visual blue opsin to recruit the endogenous G-protein network that mediates immune cell migration. Specific optical inputs to this optical trigger of signaling helped steer migration in all possible directions with precision. Spectrally selective imaging was used to monitor cell-wide phosphatidylinositol (3,4,5)-triphosphate (PIP3), cytoskeletal, and cellular dynamics. A switch-like PIP3 increase at the cell front and a decrease at the back were identified, underlying the decisive migratory response. Migration was initiated at the rapidly increasing switch stage of PIP3 dynamics. This result explains how a migratory cell filters background fluctuations in the intensity of an extracellular signal but responds by initiating directionally sensitive migration to a persistent signal gradient across the cell. A two-compartment computational model incorporating a localized activator that is antagonistic to a diffusible inhibitor was able to simulate the switch-like PIP3 response. It was also able simulate the slow dissipation of PIP3 on signal termination. The ability to independently apply similar signaling inputs to single cells detected two cell populations with distinct thresholds for migration initiation. Overall the optical approach here can be applied to understand G-protein–coupled receptor network control of other cell behaviors.
