【前沿科普】光纤变“wifi”——纳米材料助力光遗传学工具的升级

作者 | 刘颖勋

责编 | 霍麟 吉佳

不知你是否想过光能够作为一种工具，来控制脑活动、控制行为？这就是神经科学领域新近诞生的光遗传学技术。这项革命性技术迅速占领了神经科学领域科研的高地，并积极向临床治疗进军。想象一下，在治疗一些神经系统疾病时，患者只需要像晒太阳一样，接受特殊光源的光照，就能修复损伤的神经功能！这些听起来很不可思议的事情，在神经科学领域将一步步得以实现。

什么是光遗传学技术

我们知道，当神经元处于静息状态时，细胞膜两边存在着电位差，这是由于细胞膜蛋白对不同离子具有不同的通透性，导致膜内外离子的不均衡分布造成的。而光遗传学的基本原理在于运用工具病毒载体，将光敏蛋白基因（如ChR2或NpHR3.0等）转入到神经系统特定类型的细胞中进行特殊离子通道的表达。不同的光敏离子通道在不同波长的光照刺激下会分别对阳离子或者阴离子产生选择性通过，从而导致膜电位发生变化，达到选择性兴奋或者抑制神经元的目的[1]。

相比起传统的研究方法，光遗传学有着实际操作性高、细胞类型特异性高和时间分辨率高等无可比拟的优点。毫不夸张地说，光遗传学给神经科学领域带来了一场技术革命，它不仅在神经环路研究方面大放异彩，而且有极大的潜力治疗多种精神类疾病。

光遗传学技术实验原理

新一代无线光遗传学技术

当然，光遗传学技术也不可避免地存在技术瑕疵。光敏蛋白的激发波长限定在可见光范围，可见光在脑组织内传播时迅速衰减，能够被光激活的脑区范围有限。传统技术依赖光纤进行光波传导，需要通过手术将光纤植入动物脑组织，这就不可避免地损伤大脑、造成炎症，使通向临床的道路难上加难。

有没有一种光波能够直达组织深部，从而摆脱对光纤的依赖呢？研究人员将目光投向组织通透性强的近红外光（Near-infrared, NIR, 700~1400 nm），探讨将光非侵入性导入到脑深处的无线光遗传学新技术。如何使光敏蛋白能够响应近红外光，研究者尝试通过分子克隆技术改造光敏蛋白[2]。与基因工程技术改造光敏蛋白相比，通过上转换发光纳米材料将近红外光转换为可见光，不仅能够实现基于NIR光的无线遗传学技术，同时操作简便，因此得到更多关注[3]。

传统光遗传学技术(A)与无线光遗传学技术(B)

传统技术使用光纤进行光波传导（A），光纤限制了动物的自由活动，并且会对脑组织产生不可避免的损伤。而上转换纳米颗粒（UCNP）介导的光遗传学技术能对自由活动的小鼠运动皮层进行无线操控（B）。

上转换纳米颗粒与“反斯托克斯”发光

近年来，随着纳米生物技术的发展，纳米材料在生物分子检测、生物成像以及疾病诊疗等方面的应用日益广泛[4]。在诸多纳米材料中，由镧系稀土元素(如，Er、Yb、Tm和Nd等)掺杂形成的上转换纳米颗粒（UCNP）具有“反斯托克斯”发光性质而格外引人注目。反斯托克斯发光是指，在低能光子的激发下经由两个及两个以上光子的吸收过程产生高能发射，也称为上转换发光。镧系元素形成原子时其内部的4f层没有填满电子，具有独特的准“阶梯状”能级结构。4f壳层内电子可通过能级间跃迁，连续吸收低能激发光的能量，产生上转换发光现象。即镧系稀土离子能够吸收低能量的长波长近红外光，“上转换”为紫外光至近红外光，介导NIR光的生物医学应用，包括深部组织成像、视觉神经生理学和光遗传学等[5]。

上转换发光现象

UCNP介导的无线光遗传学技术

UCNP介导的无线光遗传学技术最早由光遗传学创始人之一Deisseroth于2011年首次提出并申请专利。随后不同研究小组将该技术成功用于培养神经元、秀丽隐杆线虫、斑马鱼幼虫和啮齿类哺乳动物的神经元活性调节及行为调控[6]。2018年，Science刊登了RIKEN脑科学研究所的最新重要工作，他们通过UCNP将近红外光转变为可见光，激活常见的光遗传学通道，诱发出多巴胺释放。除了激活神经元，UCNP也可以用于抑制癫痫小鼠病情[3]。研究人员给小鼠海马区注射了可以发出绿光的纳米颗粒，随后用近红外光在头盖骨表面进行照射。结果这些小鼠的癫痫神经元被有效沉默。在内侧隔核的区域，纳米颗粒发出的光促进了神经元theta周期的同步。在具有恐惧记忆的小鼠中，研究人员使用可以发光的UCNPs成功在海马区激起了小鼠的恐惧记忆。这些神经元激活、抑制、癫痫终止、theta波振荡、记忆召回等生理现象，证实UCNP介导的无线光遗传学能够取得和传统技术相当的调控效率。

UCNP介导的无线光遗传学技术实验原理与发展历程

UCNP介导的无线光遗传学技术克服了传统技术中光纤对脑组织的损伤，摆脱了光纤的束缚，动物在接受光刺激时处于自由活动状态，能够完成多种复杂行为学检测，包括旷场运动、转棒实验、Y型迷宫及斯金纳箱等实验场景[3, 7]。此外，借助纳米材料独有的可塑性，研究者制备出柔性光极，可以完全植入脊柱结构中，从而使光遗传学技术首次应用于外周神经系统调控[8]。

随着对UCNP发光机理的深入了解，科学家们能更好地合成生物相容性好、上转换效率高、具有特定发光特性的UCNP，这些合成方面的新成果进一步推动了UCNP介导的无线光遗传学技术在生物医学领域的应用。（详情点击下方阅读原文）

参考文献

1. Deisseroth K. Optogenetics: 10 years of microbial opsins inneuroscience. Nat Neurosci, 2015, 18(9): 1213-1225

2. Gong X, Mendoza-Halliday D, Ting J T, et al. An Ultra-sensitivestep-function opsin for minimally invasive optogeneticstimulation in mice and macaques. Neuron, 2020, 107(1): 38-51

3. Chen S, Weitemier A Z, Zeng X, et al. Near-infrared deep brainstimulation via upconversion nanoparticle-mediated optogenetics. Science, 2018, 359(6376): 679-684

4. Young A T, Cornwell N, Daniele M A. Neuro-nano interfaces:Utilizing nano-coatings and nanoparticles to enable nextgeneration electrophysiological recording, neural stimulation, andbiochemical modulation. Adv Funct Mater, 2018, 28(12): 1700239

5. 林贵娇,万锕俊,李慧丽,等.上转换纳米材料在生物应用中的研究进展. 生物化学与生物物理进展, 2018, 45(8): 821-832

6. 刘颖勋, 李林源，何宇蒙，等. 上转换纳米颗粒介导的无线光遗传学技术的研究进展. 生物化学与生物物理进展, 2021. 48(6): 646-658

7. Wang Y, Lin X, Chen X, et al. Tetherless near-infrared control ofbrain activity in behaving animals using fully implantableupconversion microdevices. Biomaterials, 2017, 142: 136-148

8. Wang Y, Xie K, Yue H, et al. Flexible and fully implantableupconversion device for wireless optogenetic stimulation of thespinal cord in behaving animals. Nanoscale, 2020, 12(4): 2406-2414

刘颖勋

陕西师范大学现代教学技术教育部重点实验室副研究员

主要致力于纳米生物技术在认知神经科学中的应用研究，包括学习记忆的神经可塑性机制，以及情绪情感与学习记忆相互作用的认知神经机制。

生物化学与生物物理进展

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原标题：《【前沿科普】光纤变“wifi”——纳米材料助力光遗传学工具的升级》

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