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港科大唐本忠院士團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater.》：光熱雙效納米材料掌控食欲玄機(jī)
2023-03-05  來(lái)源：高分子科技

  近十年來(lái)，光遺傳學(xué)作為一種整合基因和光學(xué)技術(shù)的新興生物技術(shù)，具有可精確控制神經(jīng)元或神經(jīng)回路的特定功能，被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)生物學(xué)研究。然而，傳統(tǒng)光遺傳學(xué)在臨床應(yīng)用上存在很多限制，如需要侵入性的光纖和電極來(lái)進(jìn)行深部刺激、光纖產(chǎn)生的熱量會(huì)干擾神經(jīng)活動(dòng)。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，近年來(lái)研究者們一直尋找和嘗試通過(guò)新穎的光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)材料等多種策略來(lái)解決。有鑒于此，香港科技大學(xué)唐本忠院士和延安大學(xué)白占濤教授團(tuán)隊(duì)合作，成功設(shè)計(jì)開發(fā)了同時(shí)具有光刺激和熱刺激雙向調(diào)控神經(jīng)元的材料，利用不同波長(zhǎng)近紅外光控制光與熱的交替作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)的精確調(diào)控。相關(guān)成果以標(biāo)題“Dual Behavior Regulation: Tether-free Deep-brain Stimulation by Photothermal and Upconversion Hybrid Nanoparticles”發(fā)表于《Advanced Materials》期刊（DOI: 10.1002/adma.202210018）。港科大博士后孫飛一，港科大博士研究生沈翰辰和延安大學(xué)楊清湖副教授為本文的共同第一作者。


  本文要點(diǎn)：


光熱雙效材料的開發(fā)


  本文報(bào)道了兩種光遺傳材料PT-UCNP-B (藍(lán)色上轉(zhuǎn)換熒光)和PT-UCNP-G (綠色上轉(zhuǎn)換熒光)，它們由光熱材料和二氧化硅包覆的上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNPs）組成，可通過(guò)兩種不同的近紅外激發(fā)光（808 nm和980 nm）分別進(jìn)行熱刺激和光刺激，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)雙向調(diào)控神經(jīng)元。研究人員通過(guò)穩(wěn)定的共價(jià)鍵將基于苯并雙噻二唑（BBT）的光熱材料鏈接到UCNPs表面，以實(shí)現(xiàn)高效的光熱轉(zhuǎn)換（圖1）。 


圖1 PT-UCNP-B/G的化學(xué)結(jié)構(gòu)和光物理性質(zhì)


小鼠腦部雙向神經(jīng)調(diào)控


  下丘腦外側(cè)區(qū)（LH）是調(diào)控?cái)z食等動(dòng)機(jī)行為的深部腦區(qū)的關(guān)鍵神經(jīng)基質(zhì)，其中LH谷氨酸神經(jīng)元主要負(fù)責(zé)攝食行為狀態(tài)變化。因此，他們監(jiān)測(cè)了LH谷氨酸神經(jīng)元在攝食行為任務(wù)中的jRCaMP1a信號(hào)轉(zhuǎn)移。當(dāng)小鼠靠近食物區(qū)且沒(méi)有激光照射時(shí)，jRCaMP1a信號(hào)的熒光強(qiáng)度會(huì)增加。隨后，在808nm照射下，鈣信號(hào)顯著減少，而在980nm照射下信號(hào)顯著增加（圖2）。該結(jié)果表明PT-UCNP-B在體內(nèi)具有深度腦區(qū)神經(jīng)興奮性的雙向調(diào)節(jié)能力。 


圖2 PT-UCNP-B在小鼠下丘腦外側(cè)區(qū)實(shí)現(xiàn)雙向神經(jīng)調(diào)控


小鼠攝食行為的雙向調(diào)控


  為了進(jìn)一步檢驗(yàn)PT-UCNP-B對(duì)攝食行為的雙向調(diào)控能力，研究者選擇性地標(biāo)記了下丘腦中谷氨酸能神經(jīng)元，研究了其對(duì)小鼠攝食行為的調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)中，研究人員注射PT-UCNP-B并使用不同波長(zhǎng)的激光照射LH區(qū)域，觀察小鼠的進(jìn)食行為。結(jié)果表明，PT-UCNP-B可以有效地雙向調(diào)節(jié)下丘腦中的神經(jīng)元活動(dòng)，從而控制小鼠的進(jìn)食行為。808 nm的光照能夠有效的增加小鼠進(jìn)食和探索食物區(qū)域的行為表現(xiàn)，而980 nm的光照則減少小鼠食物攝入及降低對(duì)食物區(qū)域的興趣 （圖 3）。 


圖3 PT-UCNP-B雙向調(diào)控?cái)z食行為


  PT-UCNP-B/G材料實(shí)現(xiàn)了非侵入式深層腦神經(jīng)活動(dòng)性調(diào)控，不僅通過(guò)光調(diào)控神經(jīng)元活動(dòng)，還將熱作為另一個(gè)可控的工具來(lái)操縱神經(jīng)元活動(dòng)。熱調(diào)控功能的引入提供了全新的方法來(lái)進(jìn)行雙向神經(jīng)調(diào)節(jié)。與經(jīng)典光刺激或熱刺激的獨(dú)立系統(tǒng)相比，光和熱的組合系統(tǒng)不僅具有各自獨(dú)立系統(tǒng)功能，還因?yàn)槔昧斯夂蜔徇@兩種完全不同的介質(zhì)，降低了雙向調(diào)控對(duì)特定光敏蛋白和設(shè)計(jì)限制的要求，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，減少了光學(xué)干擾，提高了精度。這一系列材料不僅為光遺傳學(xué)材料設(shè)計(jì)提供了新的可能，而且這種非侵入性控制在未來(lái)神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病治療中具有廣闊的應(yīng)用前景。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210018

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