光遺傳技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)特定類型神經(jīng)元的高時(shí)間分辨調(diào)控。過(guò)去幾年,光遺傳技術(shù)在神經(jīng)環(huán)路的結(jié)構(gòu)與功能研究中得到了廣泛應(yīng)用,并且在神經(jīng)疾病治療領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。目前光遺傳常用光敏蛋白的激發(fā)波長(zhǎng)位于可見光波段。可見光的組織穿透性差,很難通過(guò)組織外照射來(lái)調(diào)控動(dòng)物大腦深部的神經(jīng)元電活動(dòng),因此極大地限制了光遺傳技術(shù)的應(yīng)用。上轉(zhuǎn)換納米粒子可以將組織穿透性好的近紅外光轉(zhuǎn)換成可見光激活光敏蛋白,從而可以實(shí)現(xiàn)可見光的遠(yuǎn)程、低損傷遞送。近幾年來(lái),基于上轉(zhuǎn)換納米粒子的光遺傳技術(shù)得到了迅速發(fā)展。本文將總結(jié)基于上轉(zhuǎn)換納米粒子的光遺傳技術(shù)的研究現(xiàn)狀及技術(shù)瓶頸,并且結(jié)合柔性神經(jīng)電極技術(shù)的發(fā)展,對(duì)構(gòu)建可以同時(shí)調(diào)控與檢測(cè)活體大腦電活動(dòng)的低損傷、雙向神經(jīng)界面進(jìn)行了展望。 

【文章來(lái)源】：物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2020,36(12)北大核心SCICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：11 頁(yè)

【部分圖文】：

各種增強(qiáng)上轉(zhuǎn)換效率方法的熒光強(qiáng)度和發(fā)射譜對(duì)比

2016年Bansal等62首次將UCNPs用于活體光遺傳實(shí)驗(yàn)。該工作首先對(duì)轉(zhuǎn)染了Ch R2的線蟲做饑餓處理，隨后將饑餓的線蟲暴露到他們合成的UCNPs (Si外殼，發(fā)射藍(lán)色熒光)溶液中使線蟲攝取UCNPs，最后通過(guò)施加準(zhǔn)連續(xù)NIR (980 nm)光照射線蟲，成功調(diào)控了線蟲的運(yùn)動(dòng)方向(圖3)，并且沒有發(fā)現(xiàn)明顯的組織過(guò)熱和納米粒子毒性的副作用。除此之外，2017年Ai等63在幼年斑馬魚模型中，也通過(guò)用NIR (808 nm)照射UCNPs發(fā)射藍(lán)色熒光，成功激活Ch R2光敏蛋白。值得注意的是，線蟲和幼年斑馬魚的身體透明度相對(duì)較高，對(duì)光的透過(guò)性好，因此對(duì)于UCNPs在組織穿透性較差的嚙齒類動(dòng)物中的光遺傳應(yīng)用還有待進(jìn)一步探索。圖3 UCNPs介導(dǎo)的NIR光遺傳調(diào)控線蟲運(yùn)動(dòng)行為62

圖2 用包裹UCNPs的聚合物薄膜實(shí)現(xiàn)光遺傳激活神經(jīng)元的示意圖612017年Lin等64首次將UCNPs應(yīng)用到嚙齒動(dòng)物光遺傳實(shí)驗(yàn)(圖4a,b,c)。他們通過(guò)摻雜Tm3+離子或Er3+離子，得到了發(fā)射熒光波長(zhǎng)與Ch R2和C1V1光敏蛋白相匹配的核殼結(jié)構(gòu)UCNPs。他們將分散有此UCNPs的溶液加入微玻璃管，待溶劑揮發(fā)后剪斷微玻璃管并密封好，隨后將鎢絲電極與此光學(xué)器件綁到一起，最后將此器件植入大鼠腦組織，通過(guò)顱外施加980 nm的NIR，在功率為7m W·mm-2和4.4 m W·mm-2時(shí)，分別成功激活了發(fā)射波長(zhǎng)為470 nm和540 nm的UCNPs，并相應(yīng)激活了V1M腦區(qū)(1 mm深)的Ch R2和C1V1光敏蛋白，記錄到了相應(yīng)的動(dòng)作電位，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的調(diào)控和神經(jīng)信號(hào)的檢測(cè)。但是值得注意的是，此實(shí)驗(yàn)是在老鼠麻醉狀態(tài)下進(jìn)行的；所選腦區(qū)距離腦表僅1 mm，經(jīng)過(guò)選用合適的光敏蛋白，通過(guò)顱外照射可見光即能對(duì)該深度的神經(jīng)元進(jìn)行調(diào)控；且微玻璃管包裹雖然能夠使UCNPs與細(xì)胞隔離，降低對(duì)細(xì)胞的毒性，但玻璃管和所用鎢絲電極都是剛性的，會(huì)對(duì)組織造成一定程度的損傷以及炎癥反應(yīng)，因此生物相容性有待進(jìn)一步提高。同年，Wang等65利用相同方法制備了負(fù)載有UCNPs的光學(xué)器件，通過(guò)埋植該器件實(shí)現(xiàn)了顱外施加NIR (980nm,5 m W·mm-2)調(diào)控自由活動(dòng)老鼠VTA腦區(qū)(4.5mm深)、皮層紋狀體腦區(qū)(3 mm深)和視覺皮層腦區(qū)(1 mm深)的神經(jīng)活動(dòng)。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)負(fù)載UCNPs的光學(xué)器件植入組織后沒有引發(fā)嚴(yán)重的免疫反應(yīng)，并且NIR照射時(shí)皮膚的溫度沒有顯著升高。這說(shuō)明該方法可以用于自由活動(dòng)老鼠深腦光遺傳實(shí)驗(yàn)。通常來(lái)說(shuō)，相比于激活興奮性光敏蛋白，激活抑制性光敏蛋白需要更高能量的熒光照射，這就要求UCNPs具有更高的轉(zhuǎn)換效率66。2018年，Lin等67通過(guò)核殼殼結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了UCNPs的轉(zhuǎn)換效率，與之前所用核殼結(jié)構(gòu)UCNPs相比，轉(zhuǎn)換效率提升了～3倍。利用相同方法，他們實(shí)現(xiàn)了將UCNPs用于神經(jīng)活動(dòng)抑制的實(shí)驗(yàn)，并同時(shí)成功地檢測(cè)到了神經(jīng)元的動(dòng)作電位(圖4d,e,f,g)。他們通過(guò)體外NIR (980 nm,6 m W·mm-2)照射自由活動(dòng)老鼠，成功激活了大鼠STN腦區(qū)(7.8 mm深)和小鼠次級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層(0.5 mm深)中神經(jīng)元細(xì)胞膜表面的抑制性光敏蛋白-e Np HR3.0，記錄到了大鼠相應(yīng)腦區(qū)中的電生理信號(hào)，并且實(shí)現(xiàn)了調(diào)控自由移動(dòng)小鼠的運(yùn)動(dòng)功能。


本文編號(hào)：3400162