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科學家用光遺傳學治療哺乳類動物

2018/03/28 編輯部/整理

圖片取自RIKEN Brain Science Institute

圖片取自RIKEN Brain Science Institute

近期,日本理化學腦科學研究所(RIKEN Brain Science Institute, Japan)與新加坡國立大學合作,利用奈米粒子將體外近紅外光在腦內轉換為藍綠光,從而實現了無創光遺傳學操控神經元活動。 

目前,該研究結果已在《Science》期刊上發表。 

光遺傳學(Optogenetics)是當前神經科學領域最先進的技之一,利用基因學的方法在大腦中安裝一個光控制的開關;藉由特定波長的光調節,大腦中欲調節的機制開關就能打開,猶如紅外線遙控器控制電視的開關。

類似這種有趣的光空機制,即是一種天然海藻感光離子通道蛋白ChR2,藍光可以誘發此通道讓陽離子流進細胞內,導致神經衝動。 

不過,想要實現無創光遺傳學,就必須找到能夠在體外激發體內發藍綠光的方法。而本次研究者得以實現無創光遺傳學操作,完全依賴於一種神奇的粒子—上轉換奈米粒子(UCNP)。 

在光學材料領域,有一條史托克斯定律(Stokes’ theorem),材料只能收到高能量的光,以激發出低能量的光,也就是只能高頻率短波長的光激發材料,發出低頻率長波長的光。例如藍光激發黃光,可見光激發紅外線。

但史托克斯定律並不是唯一的真理,科學家在不斷地探索中,發現了一類反史托克斯定律的發光材料(Anti-Stokes),也就是上轉換發光材料。上轉換發光材料含有稀土元素,能夠在長波光的激發下產生短波長光。也就是,控制不同的稀土元素摻雜,能夠精確調控激發光的波長,以匹配特定的神經元活動,實現精準調控。 

目前來說,NaYF4是公認轉化效率最高的上轉換材料,該研究也是選取了這種材料,並在其中摻雜銛離子(Tm3+)作為啟動劑,鐿離子(Yb3+)作為敏化劑。 

研究團隊為了提高材料的生物相容性,使它更好地在細胞內留存並減少毒副作用,研究者又給納米粒子包覆上了一層二氧化矽。 

理論上,這種粒子能夠在大腦深處受到穿透機體的紅外光激發,產生所需的藍綠光。研究者估算,在小鼠腦外側照射2W-980nm的近紅外光,應當可以在大腦深度4.5mm處留存13.8mW/mm2,並成功激發出0.34mW/mm2的藍光。 

研究者分兩次向小鼠腦中注射了搭載光敏蛋白基因的病毒和上轉換納米顆粒,並對小鼠進行980nm波長的近紅外光照射。在小鼠腦內約4.2mm深處,研究者成功檢測到0.063 mW/mm2的藍光。

當考慮實驗中的能量損耗和觀測誤差,實驗值是符合研究者的計算的,而且這種程度的光強已經足以啟動光敏蛋白(ChR2)了。 

接著,研究者嘗試在各種實用情境下,發展無創光遺傳學的潛力。 

大腦的腹側被蓋區(ventral tegmental area)具有豐富的多巴胺神經元,是腦部重要的功能區域。研究者利用紅外光啟動VTA神經元,並檢測到釋放的多巴胺。在實驗中,腦部溫度僅是略有升高,也沒有對神經細胞造成損傷。

在抑制神經元活動方面,這項技術依舊有效。透過改變上轉換納米粒子中摻雜的稀土離子,研究者得到了一種新的奈米粒子,可發出抑制光敏蛋白的綠光。在海馬體的應用,成功抑制癲癇發作小鼠的過度活躍神經元,解除癲癇症狀。 

此外,研究者還利用這項技術達成了同步小鼠腦內的θ(theta)腦電波和喚回小鼠的恐懼記憶。在喚回記憶這項實驗中,注射奈米粒子2周後,實驗效果依舊存在,可見這種奈米粒子的生物相容性和留存性都還是不錯的,有長期應用的潛力。

其實,利用上轉換材料進行光遺傳學操作並不是首次發現,但此前的實驗都止步於秀麗隱桿線蟲和斑馬魚,這是首次證實該技術在哺乳動物中的應用潛力。

我們不乏想像一下,以後在診所中,只要一束光照過來,咻的一下病就治好了,簡直是神乎其技啊!或許未來科幻小說中的故事,就能在現實生活中實現。

 

閱讀原文:https://goo.gl/RD61cC

 

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