Advanced Healthcare Materials: 纳米光遗传的前世今生

普普通通的一束光就能刺激动物的捕食行为,重新获得丧失的听力和视力,阻止癌基因诱导的肿瘤形成,甚至恢复阿兹海默症患者的记忆等,这种利用外界光刺激来控制体内细胞尤其是神经元细胞的行为和功能的新型神奇技术,被称为光遗传学(Optogenetics)。近年来,各种各样的光遗传工具和光敏/热敏蛋白被不断地发现和优化,使得光遗传技术具有优异的时空精度和灵敏度,正成为研究大脑功能的标准技术,且研究取得了巨大的进步。传统的光遗传工具只能响应组织穿透能力弱的可见光,不得不将侵入性光纤探针插入器官和组织中来进行信号刺激,这显然限制了光遗传技术的实际应用。相比于传统只能可见光激发的光遗传工具,近红外光响应的纳米光遗传材料尤其吸引研究人员的兴趣,因为近红外光具有低生物背景,几乎不损伤动物组织和更深的组织穿透深度。同时纳米材料比起传统植入性器件相比有更好的生物兼容性。 所以开发近红外光响应的纳米光遗传工具是光遗传学研究的一把新钥匙,为深层,无线,微创的光遗传应用提供了广阔前景。

 (A) 光光能量转递纳米光遗传 (B)光热能量转递纳米光遗传

针对当前近红外光响应的光遗传工具的开发和应用,马萨诸塞大学医学院(UMMS)的韩纲教授结合其课题组研究项目(https://lnkd.in/euuhRer)和其同事(德州农工大学周育斌教授, 中科大薛天教授, 东华大学陈志钢教授一起做了归纳性总结和展望,相关论文在线发表在Advanced Healthcare Materials (https://doi.org/10.1002/adhm.201801132)上。文中提及近红外光响应的纳米光遗传工具被分为二种类型:第一种是光光转化:使用稀土上转换纳米颗粒将近红外激光转换成可见光,再由可见光激发传统的视蛋白来激活或抑制细胞信号;第二种是光热转化,使用光热试剂将近红外光转换成热量,局部升高的温度刺激细胞膜中热敏蛋白来打开离子通道。文章主要讨论了具体的近红外光响应的纳米光遗传工具的设计,合成,表面修饰,生物毒性,细胞信号调控,生物应用等方面。同时,针对近红外光响应的纳米光遗传工具的优缺点,文章探讨了可能的改进方向和发展路径,为纳米光遗传工具的未来进一步应用打下了坚实的基础。

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