光遺傳學(xué)作為一種新興的生物技術(shù),能夠在時間和空間上精準(zhǔn)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(shù)吸引了廣泛的關(guān)注。然而,目前該技術(shù)所使用的光遺傳學(xué)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(xué)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(zhuǎn)換納米粒子作為光轉(zhuǎn)換器,將組織可穿透的近紅外光轉(zhuǎn)化為可見光發(fā)射,從而使復(fù)雜活體條件下的光遺傳學(xué)調(diào)控成為可能。我們對近年來上轉(zhuǎn)換納米粒子介導(dǎo)的光遺傳學(xué)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)展做了詳細(xì)的總結(jié)。另外,關(guān)于未來如何進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)可用于臨床研究提出了建議和展望。 

【文章來源】：無機(jī)化學(xué)學(xué)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(zhuǎn)換納米粒子活化光敏離子通道蛋白(C1V1)[56]

(2)將上轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器將近紅外能量轉(zhuǎn)換為可見光，然后刺激具有不同ChRs表達(dá)的神經(jīng)元(圖2c)。這些微型光學(xué)器件顯示出極好的長期生物相容性，并且可以遠(yuǎn)程控制腦功能的調(diào)節(jié)，甚至用于復(fù)雜的動物行為學(xué)操控。(3)直接利用細(xì)胞或生物體組織攝取上轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換納米粒子與所要調(diào)控的細(xì)胞孵育，或者直接通過注射的方式進(jìn)入特定組織器官，待納米粒子被有效攝入后，進(jìn)行近紅外激光照射并實現(xiàn)光遺傳學(xué)調(diào)控。這種策略不僅可以達(dá)到亞細(xì)胞層面的精準(zhǔn)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(zhuǎn)換納米顆粒的近紅外光遺傳學(xué)平臺，被稱作“Opto-CRAC”(圖3a)。OptoCRAC在細(xì)胞和活體環(huán)境中，通過近紅外光照射而發(fā)出藍(lán)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(xì)胞內(nèi)鈣離子的流入以及受此過程調(diào)控的基因表達(dá)，進(jìn)而調(diào)節(jié)機(jī)體的免疫炎癥反應(yīng)(圖3(b～d))。通過對光信號的調(diào)節(jié)(如激光的脈沖、強(qiáng)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(dǎo)的光致鈣離子信號通路活化可以引發(fā)免疫細(xì)胞的特異性生理響應(yīng)。通過使用近紅外光激活光控-鈣通道，可以促進(jìn)樹突狀細(xì)胞的成熟及抗原的呈遞，進(jìn)而刺激T細(xì)胞的活化。通過這種手段實現(xiàn)了對細(xì)胞信號通路進(jìn)行的精確操作，進(jìn)而調(diào)控下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，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(lǐng)域，比如生物造影，診斷治療及生理病理研究[61]。目前，關(guān)于近紅外光遺傳學(xué)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(shè)計了808 nm激發(fā)的上轉(zhuǎn)換光遺傳學(xué)體系，實現(xiàn)了對離子通道ChR2的調(diào)節(jié)以及鈣離子介導(dǎo)的腫瘤細(xì)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(dǎo)的離子通道的調(diào)節(jié)可引起細(xì)胞的凋亡，具有進(jìn)一步在腫瘤治療方面的應(yīng)用前景。


本文編號：3121310