近红外上转换纳米转换器在光遗传学调控中的应用

发布时间：2021-04-06 10:55

　　光遗传学作为一种新兴的生物技术,能够在时间和空间上精准调控生理功能。尤其是在基于视紫红质离子通道蛋白来操控神经兴奋性及钙信号通路激活等方面,近年来该技术吸引了广泛的关注。然而,目前该技术所使用的光遗传学工具只能被可见光激发,难以穿透深层组织并实现无创地光学调控。为了解决这个问题,最近一些研究通过使用稀土掺杂上转换纳米粒子作为光转换器,将组织可穿透的近红外光转化为可见光发射,从而使复杂活体条件下的光遗传学调控成为可能。我们对近年来上转换纳米粒子介导的光遗传学技术的开发和应用进展做了详细的总结。另外,关于未来如何进一步推进该技术可用于临床研究提出了建议和展望。 

【文章来源】：无机化学学报. 2020,36(06)北大核心SCICSCD

【文章页数】：14 页

【部分图文】：

近红外激发的上转换纳米粒子活化光敏离子通道蛋白(C1V1)[56]

(2)将上转换纳米粒子制成微光极。Shi等[57]首先将UCNPs包装到玻璃微光极中，制成可植入的光转换器将近红外能量转换为可见光，然后刺激具有不同ChRs表达的神经元(图2c)。这些微型光学器件显示出极好的长期生物相容性，并且可以远程控制脑功能的调节，甚至用于复杂的动物行为学操控。(3)直接利用细胞或生物体组织摄取上转换纳米粒子(图2d)。该方法在目前研究中最为常用，将功能修饰的上转换纳米粒子与所要调控的细胞孵育，或者直接通过注射的方式进入特定组织器官，待纳米粒子被有效摄入后，进行近红外激光照射并实现光遗传学调控。这种策略不仅可以达到亚细胞层面的精准光调控，而且在动物体内实验方面也易于实施。但是，局限也很突出，比如难以操作，生物安全性隐患等方面。

不同于常见报道的UCNP-ChR体系，Zhou和Han等[55]展示了另一种基于上转换纳米颗粒的近红外光遗传学平台，被称作“Opto-CRAC”(图3a)。OptoCRAC在细胞和活体环境中，通过近红外光照射而发出蓝光的UCNPs(NaYF4∶Yb/Tm@NaYF4)作用于经基因工程改造的光敏钙离子通道蛋白，既可以选择性地控制细胞内钙离子的流入以及受此过程调控的基因表达，进而调节机体的免疫炎症反应(图3(b～d))。通过对光信号的调节(如激光的脉冲、强度)，该体系的光遗传模块LOVSoc能够可逆地产生持久且周期变化的钙离子信号。更为重要的是，Opto-CRAC介导的光致钙离子信号通路活化可以引发免疫细胞的特异性生理响应。通过使用近红外光激活光控-钙通道，可以促进树突状细胞的成熟及抗原的呈递，进而刺激T细胞的活化。通过这种手段实现了对细胞信号通路进行的精确操作，进而调控下游信号转导，方便其在动物生理/病理研究中发挥作用。此外，斑马鱼活体模型广泛用于生命医药领域，比如生物造影，诊断治疗及生理病理研究[61]。目前，关于近红外光遗传学调控在斑马鱼模型中的可行性研究被Xing等[62]报道。该工作巧妙地设计了808 nm激发的上转换光遗传学体系，实现了对离子通道ChR2的调节以及钙离子介导的肿瘤细胞命运调控(图4)。更为重要的是，该体系揭示了在体外和活体条件下，通过近红外光介导的离子通道的调节可引起细胞的凋亡，具有进一步在肿瘤治疗方面的应用前景。


本文编号：3121310