光遺傳學作為一種新興的生物技術,能夠在時間和空間上精準調(diào)控生理功能。尤其是在基于視紫紅質(zhì)離子通道蛋白來操控神經(jīng)興奮性及鈣信號通路激活等方面,近年來該技術吸引了廣泛的關注。然而,目前該技術所使用的光遺傳學工具只能被可見光激發(fā),難以穿透深層組織并實現(xiàn)無創(chuàng)地光學調(diào)控。為了解決這個問題,最近一些研究通過使用稀土摻雜上轉換納米粒子作為光轉換器,將組織可穿透的近紅外光轉化為可見光發(fā)射,從而使復雜活體條件下的光遺傳學調(diào)控成為可能。我們對近年來上轉換納米粒子介導的光遺傳學技術的開發(fā)和應用進展做了詳細的總結。另外,關于未來如何進一步推進該技術可用于臨床研究提出了建議和展望。 

【文章來源】：無機化學學報. 2020,36(06)北大核心SCICSCD

【文章頁數(shù)】：14 頁

【部分圖文】：

近紅外激發(fā)的上轉換納米粒子活化光敏離子通道蛋白(C1V1)[56]

(2)將上轉換納米粒子制成微光極。Shi等[57]首先將UCNPs包裝到玻璃微光極中，制成可植入的光轉換器將近紅外能量轉換為可見光，然后刺激具有不同ChRs表達的神經(jīng)元(圖2c)。這些微型光學器件顯示出極好的長期生物相容性，并且可以遠程控制腦功能的調(diào)節(jié)，甚至用于復雜的動物行為學操控。(3)直接利用細胞或生物體組織攝取上轉換納米粒子(圖2d)。該方法在目前研究中最為常用，將功能修飾的上轉換納米粒子與所要調(diào)控的細胞孵育，或者直接通過注射的方式進入特定組織器官，待納米粒子被有效攝入后，進行近紅外激光照射并實現(xiàn)光遺傳學調(diào)控。這種策略不僅可以達到亞細胞層面的精準光調(diào)控，而且在動物體內(nèi)實驗方面也易于實施。但是，局限也很突出，比如難以操作，生物安全性隱患等方面。

不同于常見報道的UCNP-ChR體系，Zhou和Han等[55]展示了另一種基于上轉換納米顆粒的近紅外光遺傳學平臺，被稱作“Opto-CRAC”(圖3a)。OptoCRAC在細胞和活體環(huán)境中，通過近紅外光照射而發(fā)出藍光的UCNPs(NaYF4∶Yb/Tm@NaYF4)作用于經(jīng)基因工程改造的光敏鈣離子通道蛋白，既可以選擇性地控制細胞內(nèi)鈣離子的流入以及受此過程調(diào)控的基因表達，進而調(diào)節(jié)機體的免疫炎癥反應(圖3(b～d))。通過對光信號的調(diào)節(jié)(如激光的脈沖、強度)，該體系的光遺傳模塊LOVSoc能夠可逆地產(chǎn)生持久且周期變化的鈣離子信號。更為重要的是，Opto-CRAC介導的光致鈣離子信號通路活化可以引發(fā)免疫細胞的特異性生理響應。通過使用近紅外光激活光控-鈣通道，可以促進樹突狀細胞的成熟及抗原的呈遞，進而刺激T細胞的活化。通過這種手段實現(xiàn)了對細胞信號通路進行的精確操作，進而調(diào)控下游信號轉導，方便其在動物生理/病理研究中發(fā)揮作用。此外，斑馬魚活體模型廣泛用于生命醫(yī)藥領域，比如生物造影，診斷治療及生理病理研究[61]。目前，關于近紅外光遺傳學調(diào)控在斑馬魚模型中的可行性研究被Xing等[62]報道。該工作巧妙地設計了808 nm激發(fā)的上轉換光遺傳學體系，實現(xiàn)了對離子通道ChR2的調(diào)節(jié)以及鈣離子介導的腫瘤細胞命運調(diào)控(圖4)。更為重要的是，該體系揭示了在體外和活體條件下，通過近紅外光介導的離子通道的調(diào)節(jié)可引起細胞的凋亡，具有進一步在腫瘤治療方面的應用前景。


本文編號：3121310