构建和表征STARM的架构
开发全DNA自组装的人工细胞结构，形成表面-胞质分隔的类细胞结构
通过RCA合成Plasm-DNA和Surface-DNA，利用热诱导LLPS和冷却杂交组装STARM，并通过CLSM、FRAP、UV-vis等表征其结构、尺寸、流动性、通透性。
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用于哺乳动物细胞接触和行为调控的响应性DNA人工细胞
Responsive DNA artificial cells for contact and behavior regulation of mammalian cells.
实验完整度
高包括体外细胞模型（A549、NIH3T3等）的接触通讯和信号通路验证，类组织形成，以及小鼠骨骼肌损伤模型的体内再生实验，涵盖多层级功能与机制验证。
主要模型
A549细胞 CEM细胞 Ramos细胞 小鼠胫骨前肌损伤模型
重点核对
STARM的构建条件：Plasm-DNA浓度10 μM，Surface-DNA浓度2.5 μM，MgAc2浓度50 mM，加热至95°C Zn2+响应STARM的刺激浓度：1 mM ZnCl2 光响应STARM的刺激条件：808 nm NIR激光，功率密度1 W/cm2，照射1分钟 体内实验：CTX诱导的肌肉损伤模型，STARM注射和NIR照射剂量（3分钟/天，连续3天）
摘要
人工细胞作为模拟天然细胞功能的合成实体已经出现，但它们与哺乳动物细胞的相互作用能力仍然具有挑战性。在此，我们开发了一种通用且模块化的策略，通过基于合成接触依赖性通讯的DNA赋能可刺激人工细胞（STARM）来调控哺乳动物细胞。通过涉及液-液相分离（LLPS）的温度控制DNA自组装构建，STARM具有组织化的全DNA细胞质模拟物和细胞膜模拟物区室。这些区室可以整合功能性核酸（FNA）模块和光响应金纳米棒（AuNRs），以建立针对特定刺激（如光或离子）的可编程感知-响应机制，协调多种生物学功能，包括组织形成和细胞信号传导。通过将两种设计的STARM组合成双通道系统，我们在多细胞群落中实现了正交调控的细胞信号传导。最终，STARM在活体动物中光引导肌肉再生中的体内治疗效果证明了智能人工细胞在再生医学中的巨大潜力。
实验结论
提炼研究问题、关键发现与证据，快速把握文章的核心贡献。
- 研究问题
- 如何构建能够与哺乳动物细胞进行接触依赖性通讯并精准调控其行为的人工细胞？
- 核心机制
- STARM通过感知特定刺激（Zn2+或NIR光）实现表型转变，将内部包裹的适配体配体展示于表面，与哺乳动物细胞表面的受体（如MET、FGFR1）结合，激活下游信号通路（如AKT、ERK），从而调控细胞行为。
- 主要证据
- 通过CLSM和流式细胞术证实Zn2+或NIR光激活后STARM与靶细胞的特异性接触；Western blot和ERK-KTR报告基因显示MET和FGFR1下游信号激活；体内实验显示Light-STARM-AptFGFR1促进肌肉再生，包括Pax7+细胞增加和MyoD/MyoG表达上调。
- 研究意义
- 该研究提供了一种基于DNA纳米技术的可编程人工细胞平台，能够实现与哺乳动物细胞的接触依赖性通讯和信号调控，为智能人工细胞在再生医学中的应用开辟了新途径。
研究路径
按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。
构建功能化STARM并验证其离子响应性
验证STARM能感知Zn2+并通过适配体配体展示与MET受体结合
在STARM表面整合Zn2+ DNAzyme作为传感模块，在内部封装AptMET作为配体，通过荧光探针监测Zn2+激活时配体展示和与MET阳性A549细胞的结合。
构建光响应STARM并验证其信号调控功能
验证光响应STARM能感知NIR光并通过展示适配体激活MET信号通路
在STARM中整合AuNRs（T20-AuNRs），通过NIR光照射诱导光热效应，增强表面渗透性，展示AptMET，结合A549细胞并激活MET-AKT-ERK信号，通过Western blot和ERK-KTR报告基因检测。
建立双通道STARM电路进行正交信号调控
验证不同STARM能分别响应Zn2+和NIR光，实现对不同细胞类型的正交信号调控
利用Zn2+-STARM-AptMET和Light-STARM-AptFGFR1在共培养系统中分别激活A549和NIH3T3细胞的AKT/ERK信号，通过免疫荧光和ERK-KTR评估特异性。
体内应用：光引导肌肉再生
验证Light-STARM-AptFGFR1在体内能否通过NIR光激活FGFR1信号，促进骨骼肌损伤后的再生
使用CTX诱导小鼠胫骨前肌损伤模型，注射Light-STARM-AptFGFR1并每天NIR光照射3分钟，通过组织学染色评估肌肉再生、肌卫星细胞激活和分化。
研究方法
按研究目的归类文中使用的方法，便于定位所需技术。
验证样本或模型特征
验证细胞功能变化
验证免疫效应
验证机制链路
数据分析与统计
产品清单
| 实验环节 | 名称 | 品牌 | 货号 |
|---|---|---|---|
| DNA合成 | 生工生物工程（上海）股份有限公司 | -- | -- |
| RCA反应 | T4 DNA连接酶 | Thermo Fisher Scientific | EL0011 |
| 核酸外切酶I | Thermo Fisher Scientific | EN0581 | |
| 核酸外切酶III | Thermo Fisher Scientific | EN0191 | |
| Φ29 DNA聚合酶 | Lucigen | -- | |
| 无机焦磷酸酶 | New England Biolabs | M0361L | |
| dNTP混合物 | Thermo Fisher Scientific | -- | |
| Amicon超滤离心管 | -- | -- | |
| NanoDrop分光光度计 | Thermo Fisher Scientific | -- | |
| STARM制备 | 醋酸镁 | -- | -- |
| Alexa 488标记寡核苷酸 | -- | -- | |
| TAMRA标记寡核苷酸 | -- | -- | |
| Cy5标记的脱氧核酶 | -- | -- | |
| 共聚焦激光扫描显微镜（尼康Eclipse TE2000-E） | Nikon | -- | |
| Tcp测定 | 安捷伦Cary60分光光度计 | Agilent | -- |
| 光漂白实验 | 徕卡DMi8显微镜 | Leica | -- |
| Zn2+响应STARM制备 | Zn2+脱氧核酶 | -- | -- |
| 荧光动力学分析 | Synergy Mx多功能酶标仪 | BioTek | -- |
| 粘附评估 | 重组人MET/HGFR蛋白 | Sino Biological | 10692-H27H-B |
| 96孔板 | Sigma-Aldrich | S2577 | |
| 光热性能检测 | 光纤耦合连续半导体二极管激光器（808 nm） | Liangli Optoelectronics Co., Ltd | -- |
| 细胞培养 | RPMI1640培养基 | Gibico | 11875119 |
| DMEM培养基 | Gibico | 11965092 | |
| 胎牛血清 | Biological Industries | 04-001-A | |
| 青霉素-链霉素 | NCM Biotech | C125C5 | |
| 超级新生牛血清 | Sangon Biotech | E510004 | |
| CLSM成像 | 尼康Ti-E共聚焦显微镜 | Nikon | -- |
| 流式细胞术 | CytoFLEX流式细胞仪 | Beckman | -- |
| FlowJo_V10软件 | -- | -- | |
| 细胞染色 | DiD膜染料 | Thermo Fisher | -- |
| Hoechst 33342 | Beyotime | -- | |
| DiI膜染料 | Beyotime | -- | |
| Western blot | RIPA裂解液 | -- | -- |
| 磷酸酶抑制剂 | -- | -- | |
| 蛋白酶抑制剂 | -- | -- | |
| 硝酸纤维素膜 | -- | -- | |
| 磷酸化MET（Y1234/5）一抗 | Cell Signaling Technology | #3077 | |
| 磷酸化AKT（S473）一抗 | Cell Signaling Technology | #4060 | |
| 磷酸化ERK1/2（T202/Y204）一抗 | Cell Signaling Technology | #4370 | |
| α-微管蛋白一抗 | Cellway Biotechnology | -- | |
| IRDye 800CW羊抗兔IgG二抗 | LI-COR | 926-32211 | |
| IRDye 680RD羊抗鼠IgG二抗 | LI-COR | 926-68070 | |
| 通用抗体稀释液 | New Cell & Molecular Biotech | -- | |
| LI-COR Odyssey红外成像系统 | LI-COR | -- | |
| 多细胞组装 | DiO膜染料 | Thermo Fisher | -- |
| DiD膜染料 | Thermo Fisher | -- | |
| ERK响应实验 | ERK激酶易位报告基因 | Addgene | 59138 |
| Lipo8000转染试剂 | Beyotime | C0533 | |
| Opti-MEM培养基 | -- | -- | |
| 细胞增殖实验 | CCK-8试剂盒 | -- | -- |
| 双通道电路 | Culture-Insert 2孔培养插件 | ibidi | -- |
| 35mm µ-Dish培养皿 | ibidi | -- | |
| 免疫荧光 | TritonX-100 | -- | -- |
| 山羊血清 | -- | -- | |
| 磷酸化AKT（S473）一抗 | Cell Signaling Technology | #4060 | |
| 磷酸化ERK（T202/Y204）一抗 | Cell Signaling Technology | #4370 | |
| IRDye 800CW羊抗兔IgG二抗 | LI-COR | 926-32211 | |
| 通透性表征 | 增强绿色荧光蛋白 | -- | -- |
| mCherry-DCV融合蛋白 | -- | -- | |
| CBD-mCherry-DCV融合蛋白 | -- | -- | |
| 血清稳定性评估 | 硫黄素T | Sigma-Aldrich | -- |
| 细胞毒性实验 | CCK-8实验 | -- | -- |
| 动物实验 | 心脏毒素 | Sigma-Aldrich | -- |
| PerkinElmer IVIS Spectrum CT成像系统 | PerkinElmer | -- | |
| 免疫组化 | 磷酸化FGFR1一抗 | Cell Signaling Technology | 52928 |
| Pax7一抗 | R&D Systems | MAB1675 | |
| Ki67一抗 | Proteintech | 27309-1-AP | |
| MyoD一抗 | Santa Cruz Biotechnology | sc-377460 | |
| MyoG一抗 | Santa Cruz Biotechnology | sc-12732 | |
| Alexa Fluor 488标记羊抗鼠IgG | Sangon Biotech | -- | |
| Alexa Fluor 555标记羊抗兔IgG | Sangon Biotech | -- | |
| Alexa Fluor 555标记羊抗鼠IgG | Sangon Biotech | -- | |
| DAPI染料 | Solarbio | ID2250 | |
| 组织学评估 | 数字切片扫描系统（Pannoramic MIDI） | 3DHISTECH | -- |
关键环节
汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。
| 环节 | 核对要点 |
|---|---|
| STARM构建 | Plasm-DNA和Surface-DNA的浓度比（10 μM:2.5 μM）、缓冲液（1×TE）、MgAc2浓度（50 mM）、加热冷却程序（95°C至25°C） 阅读提示：Methods: Preparation of artificial cells, Synthesis of ssDNA polymers using rolling circle amplification (RCA) |
| Zn2+响应STARM功能验证 | Zn2+浓度（1 mM）、处理时间（12小时）、DNAzyme浓度（12.5 μM）、细胞系（A549）和适配体（AptMET） 阅读提示：Methods: The preparation of Zn2+-STARM, Fluorescence kinetic analysis, Adhesion evaluation, Contact-dependent communication between STARM and mammalian cells; Figure legends 3 |
| 光响应STARM功能验证 | NIR光波长（808 nm）、功率密度（1 W/cm2）、照射时间（1分钟）、AuNRs浓度（1 nM）、细胞系（A549）和适配体（AptMET） 阅读提示：Methods: The preparation of Light-STARM, Photothermal performance in vitro, Adhesion evaluation, Contact-dependent communication; Figure legends 5 |
| 双通道电路 | Zn2+浓度（1 mM）、NIR光条件（1 W/cm2, 1分钟）、共培养细胞（A549和NIH3T3）、STARM类型（Zn2+-STARM-AptMET和Light-STARM-AptFGFR1） 阅读提示：Methods: Dual-channel circuit in co-cultured system, Dual-channel circuit for STARM-cell contact evaluation, In situ immunofluorescence, Single-cell ERK response evaluation; Figure legends 6 |
| 体内肌肉再生实验 | 小鼠品系（C57BL/6J）、CTX剂量（50 μL 20 μM）、STARM注射体积（50 μL）、NIR照射条件（1 W/cm2, 3分钟/天，连续3天）、分析时间点（0.5小时和3天） 阅读提示：Methods: Animal studies, Cardiotoxin intramuscular injection induced acute skeletal muscle injury model, Immunohistochemistry and histopathology evaluation; Figure legends 7 |