上转换纳米粒介导的近红外光遗传学技术对线虫运动的调控

发布时间：2020-04-13 22:11

【摘要】：光遗传学是利用光来精准调节细胞生理功能的技术,具有高度的时间和空间特异性。光遗传学技术依赖于两个要素:光和光敏感蛋白,目前已有的光敏感蛋白主要对可见光响应,但是可见光的组织穿透深度较低限制了光遗传学的广泛应用。近红外光(Near infrared,NIR)具有组织穿透深的特性,但是缺乏对NIR响应的光敏感蛋白,使其不能直接应用于光遗传学。应用上转换纳米粒(Upconversion nanoparticles,UCNPs)将NIR转换为可见光用于光遗传学调控,激活特定神经元引起信号转导具有很好的前景,但是针对动物运动行为调控的研究少有报道,且存在效应机制不明确等问题。在本文中,我们设计合成的808 nm激发UCNPs产生的绿色荧光,能有效激活在线虫不同神经元上表达的光敏蛋白Chrimson,实现对线虫运动的调控并对其机制进行探究。主要研究结果如下:(1)UCNPs的制备和表征。采用高温热分解法合成了Nd~(3+)敏化的纳米粒。纳米粒粒径均一,大小约为26 nm,结晶性良好,为β相晶型。荧光光谱显示,UCNPs分别在379 nm、408 nm、522 nm、541 nm、655 nm处有发射峰,其中541 nm发射最强。荧光相比较传统980 nm激发的NaYF_4:18%Yb,2%Er增强了63%。(2)UCNPs/NIR对线虫运动的调控。UCNPs+808 nm能够降低hpIs593线虫爬行速率,抑制身体弯曲。电生理测试结果表明,UCNPs+NIR激活表达Chrimson的抑制性神经元D-MNs,引起体壁肌肉动作电位发放频率降低,导致线虫瘫痪。游泳运动行为测试结果显示,UCNPs+NIR抑制hpIs593线虫游泳运动时身体的摆动频率,摆动周期从0.6 s延长至1.14 s。同时,UCNPs+NIR也能够激活表达Chrimson的兴奋性中间神经元DVC,引起体壁肌肉动作电位发放频率增加,激活线虫后退运动。(3)线虫对UCNPs的摄取和代谢。线虫体内的荧光强度在喂食UCNPs 12 h后达到饱和,48 h后UCNPs全部排出体外。荧光共定位和冷冻切片TEM结果表明,UCNPs主要分布在线虫肠道中,体内的UCNPs仍可以影响线虫的运动。(4)UCNPs的毒性研究。UCNPs短时接触和长期喂食都不会影响线虫的神经发育。分别从线虫体长、产卵量和寿命三方面评价UCNPs对线虫生长发育的长期毒性影响。结果表明,喂食UCNPs的线虫体长与正常条件下没有区别;产卵数量没有明显变化;随着浓度增加,线虫寿命略微缩短,但是没有显著性差异。本文研究表明,UCNPs/NIR体系可用于调节神经元活性,调控动物的运动行为,并在其它实验体系中有着广泛的应用前景,为后续光遗传学应用提供新的研究思路。
【图文】：

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华中科技大学硕士学位论文1 绪论术的发展给科学研究带来革命性的变革。2005 年，Karl Deisseroth 在大达一种光敏感的微生物蛋白 Channelrhodopsin-2（ChR2），通过使用脉现了时空精确可控地激活神经元[1]，这是光遗传学技术的首次报道。此，光遗传学正经历着快速的发展（图 1.1），，2010 年被《Nature Method法，同年被《Science》评为“年度最受关注科技成果技术”之一。光出现为神经科学研究打开了新的视野，为人类探究和解析大脑神经功方法，对神经疾病的病理解析及治疗提供了新的技术支撑。

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泛分布于古细菌、细菌、真菌和藻类中，起到光合和信号红质需要在高盐的环境下才能有效发挥功能。2002等人发现在莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）眼点控趋光和避光反应[4]。Nagel 等人的研究发现，这两种视离子通道，由七次跨膜基序构成。他们将这两种视psin-1（ChR1）和 Channelrhodopsin-2（ChR2），其中 Ch2 是一种光控非选择性阳离子通道，对阴离子无渗透性后，人们将这种通道视紫红质广泛用于神经科学研究，近，且响应动力学较差，人们又在此基础上改造得到了吸收红移的 C1V1、ReChR 和 VChR1，但它们的响应波长poetke 等人在衣藻 Chlamydomonas noctigama 中发现了具阳离子通道 Chrimson，它的主要响应波长位于 590 nm，应波长红移 45 nm（图 1.2）[7]。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O657.3;TB383.1;Q34

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