材化学院刘俊秋教授团队在Small Science上发表纳米技术操控细胞钙信号通讯专题综述

近日，我校材料与化学化工学院刘俊秋教授团队在生物医学材料知名期刊Small Science (2024, IF: 11.1)发表题为“Nanotechnology-Fortified Manipulation of Cell Ca²⁺ Signaling”的专题综述 (https://doi.org/10.1002/smsc.202400169)。该论文系统性地总结了纳米转化器在外界刺激响应下如何转化局部刺激信号的工作原理和结构构建策略，纳米转化器与细胞Ca²⁺通道的作用机制、Ca²⁺信号激活后的下游效应器；罗列和分析了Ca²⁺信号调控在疾病治疗和神经调控等领域的生物医学应用；最终展望了未来纳米转化器的设计方向、在临床转化中遇到的困境与潜在的应用前景。

作为细胞内广泛存在的第二信使，Ca²⁺几乎参与了所有的生理活动。Ca²⁺信号有诸多特性，例如在细胞局部区域产生的瞬时Ca²⁺信号就能以Ca²⁺波的方式快速传递到整个细胞及周围邻近细胞中，甚至引发器官水平的整体响应。因此，研究者们设计了不同的纳米转化器，通过刺激特定细胞中相应的Ca²⁺通道，迅速提升局部Ca²⁺浓度，从而引发并研究细胞Ca²⁺信号和引发的生理响应。

图1. 纳米转化器可以在外界刺激下产生一系列输出信号，通过激活细胞不同的Ca²⁺通道来调控细胞Ca²⁺信号。

该综述从外界刺激信号的角度，将纳米转化器的调控方式分为热、光、机械力、电、化学信号调控五大类。对于每一大类，先分别总结了其对应激活的Ca²⁺通道和激活阈值，再根据输入的外界刺激的不同，阐明纳米转化器的能量转化原理和材料设计特性，便于梳理各类繁琐的结构。同时横向对比了纳米转化器在组织穿透、响应速率、毒副作用等方面的优缺点。

图2. 总结已报道的纳米转化器种类及其调控细胞Ca²⁺信号的工作原理。

根据Ca²⁺信号广泛的应用潜力，作者将其细分为Ca²⁺过载引起的肿瘤治疗、Ca²⁺信号强化的免疫响应、粥状动脉硬化和肥胖治疗、心率过慢治疗、神经退行性疾病治疗、动物运动行为调控、生物活性调节剂释放等方面。在该部分，作者着重探讨了在不同细胞中Ca²⁺信号调控的下游效应器、激活的信号通路和产生的生物学结果，详尽地分析了技术应用的局限性与未来发展趋势。

图3.纳米转化器调控特定细胞Ca²⁺信号实现不同的生物学应用。

该综述共同第一作者为联合培养的周耀峰博后与张哲瑞博后，通讯作者为刘俊秋教授和祝鼎成副教授。作者感谢国家自然科学基金(22105055), 浙江省基础公益研究计划(LQ22E03001)、杭州市创新创业领军团队(TD2022001)、杭州师范大学交叉创新研究项目(No. 2024JCXK01)和杭州师范大学科研启动经费(2021QDL015)项目的资助。

作者简介：

刘俊秋，教授、博士生导师；国家基金委杰出青年基金获得者,教育部国家重大人才工程特聘教授,英国皇家化学学会会士(Fellow of the Royal Society of Chemistry， FRSC)。先后主持国家重点研发计划课题、国家高技术研究发展计划(863计划)子课题、国家重点基础研究发展计划(973计划)子课题、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金重点国际合作等项目。在Chem. Rev.， Chem. Soc. Rev.， Acc. Chem. Res.， J. Am. Chem. Soc.， Angew. Chem. Int. Ed.等国际知名期刊已发表SCI研究论文200余篇，主编英文专著1部，参编8部。担任J.Biomat. Nanobiotech，General Chem.， Polym. Sci.， 高等学校化学学报等杂志编委。任中国生物物理学会纳米酶分会副会长、中国化学会化学生物学专业委员会委员、中国生物材料学会生物医用高分子材料分会委员等。

祝鼎成，副教授，硕士生导师。2021.01入职杭州师范大学，加入材料与化学化工学院刘俊秋教授领导的“仿生功能材料创新团队”，担任副教授职位。入职以来共主持了4项国家、省、市级项目，入选2023年度杭州市人才项目， 2024年浙江省青年科技人才引育工程库，是2023年“杭州市领军型创新创业团队引进培育计划”的核心成员，被认定为杭州市高层次c类人才。累计在材料科学、高分子科学、医/药学、应用化学等多学科交叉的国际综合性和专业性期刊上发表论文29篇，其中以第一（含共同）身份发表论文7篇，以通讯作者身份发表论文6篇，包括Science Advances, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Advanced Drug Delivery Reviews, Biomaterials, Small Science等知名学术期刊。是MDPI出版社评审委员会成员、Frontiers in Materials期刊“手性纳米颗粒”专题的客座副编辑，受邀在两次国际会议上做口头报告。研究方向为研发远程无线遥控钙信号调控体系，调控细胞内离子浓度与细胞通讯，控制细胞和活体行为。