導電聚合物已被廣泛研究并應用于生物醫學領域，包括生物傳感器、神經修復體和生物致動器，以及藥物遞送和組織工程。導電聚合物是由單鍵和雙鍵交替組成的有機鏈，賦予聚合物類金屬的半導體性質。對這些聚合物施加外源性電刺激可以促進細胞的增殖、粘附、遷移、分化和蛋白質分泌等活動。由于許多細胞和組織，特別是神經元，對電場具有響應性，導電聚合物在生物和醫學應用中具有吸引力。
常用的導電聚合物包括聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT），聚苯胺（PANI）和聚吡咯。導電聚合物傳統上是作為獨立的生物材料合成的，可用于培養細胞或體內植入，將導電聚合物整合到組織中。而已報道的電活性材料和正在開發的可注射神經界面都尚未能靶向特定細胞的。
成果簡介：
有鑒于此，斯坦福大學光遺傳學之父Karl Deisseroth和鮑哲楠院士等人展示了根據特定細胞類型制造的聚苯胺（PANI）導電聚合物的體內聚合，并改變了細胞膜的電性能。
他們利用腺相關病毒（AAV）載體對神經元進行基因工程改造，在細胞膜外表達過氧化物酶。當注入細胞或組織時，過氧化物酶催化苯胺單體和二聚體前體的聚合。這種方法可以提供更多特定于細胞的電場靶向。相關成果發表在Science上。
圖|Science
具體步驟：
為了在活體動物的特定細胞內實現電活性聚合物的生物相容性體內合成，研究人員從聚苯胺（PANI）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）的導電聚合物開始。這些聚合物被選擇用于水性合成和電子和離子的雙重傳導，當電子與活細胞連接時，這會降低局部電化學阻抗。
即使用化學修飾單體設計了一種單一酶促聚合，其聚合是由一種可以在特定細胞中表達的酶（抗壞血酸過氧化物酶Apex2的人源化版本）觸發的。灌注能夠通過完整組織擴散的小分子導電聚合物前體（步驟I）之后，在基因靶向酶的反應中心處進行氧化自由基陽離子聚合步驟。由于自由基陽離子在水溶液中的平均擴散長度較短，且所得聚合物的溶解度較低，因此預期合成的導電聚合物將沉積在膜旁的靶細胞上（步驟II）。
圖|具體步驟
體內外結果
電生理學和行為學分析證實，合理設計、基因靶向的功能性聚合物不僅能保持體外神經元的活力，而且能在自由活動的動物體內（秀麗隱桿線蟲(C. elegans)）實現膜特性的重塑和細胞類型特異性行為的調節。
圖|線蟲試驗
小結：
該研究已經在活細胞、組織和動物體內的基因特定的細胞元素上實現了電活性聚合物的化學組裝。這種方法可以在生物系統中創建多樣化、復雜和功能化的結構和材料
仍需解決的問題：
未來的工作可能會解決潛在的限制和機會，例如：
1）反應產物可能隨著時間的推移在靶細胞內和靶細胞附近占據大量空間，這在某些情況下可能有用，但也可能導致細胞毒性。
2）為了在組裝結構中獲得廣泛的功能特性，可以探索和開發多種細胞特異性化學合成方法。
參考文獻：
1.Liu J, et al. Genetically targeted chemicalassembly of functional materials in living cells, tissues, and animals.Science. 2020;367(6484):1372-6.
https://science.sciencemag.org/content/367/6484/1372
2.Otto KJ, Schmidt CE. Neuron-targetedelectrical modulation. Science. 2020;367(6484):1303-4.
https://science.sciencemag.org/content/367/6484/1303
