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港科大唐本忠院士團隊《Adv. Mater.》：光熱雙效納米材料掌控食欲玄機

2023-03-05 來源：高分子科技

近十年來，光遺傳學作為一種整合基因和光學技術的新興生物技術，具有可精確控制神經元或神經回路的特定功能，被廣泛應用于神經生物學研究。然而，傳統光遺傳學在臨床應用上存在很多限制，如需要侵入性的光纖和電極來進行深部刺激、光纖產生的熱量會干擾神經活動。針對這些挑戰，近年來研究者們一直尋找和嘗試通過新穎的光學系統和光學材料等多種策略來解決。有鑒于此，香港科技大學唐本忠院士和延安大學白占濤教授團隊合作，成功設計開發了同時具有光刺激和熱刺激雙向調控神經元的材料，利用不同波長近紅外光控制光與熱的交替作用，實現對神經元活動的精確調控。相關成果以標題“Dual Behavior Regulation: Tether-free Deep-brain Stimulation by Photothermal and Upconversion Hybrid Nanoparticles”發表于《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楊清湖副教授為本文的共同第一作者。

本文要點：

光熱雙效材料的開發

本文報道了兩種光遺傳材料PT-UCNP-B (藍色上轉換熒光)和PT-UCNP-G (綠色上轉換熒光)，它們由光熱材料和二氧化硅包覆的上轉換納米顆粒（UCNPs）組成，可通過兩種不同的近紅外激發光（808 nm和980 nm）分別進行熱刺激和光刺激，實現了精準雙向調控神經元。研究人員通過穩定的共價鍵將基于苯并雙噻二唑（BBT）的光熱材料鏈接到UCNPs表面，以實現高效的光熱轉換（圖1）。

圖1 PT-UCNP-B/G的化學結構和光物理性質

小鼠腦部雙向神經調控

下丘腦外側區（LH）是調控攝食等動機行為的深部腦區的關鍵神經基質，其中LH谷氨酸神經元主要負責攝食行為狀態變化。因此，他們監測了LH谷氨酸神經元在攝食行為任務中的jRCaMP1a信號轉移。當小鼠靠近食物區且沒有激光照射時，jRCaMP1a信號的熒光強度會增加。隨后，在808nm照射下，鈣信號顯著減少，而在980nm照射下信號顯著增加（圖2）。該結果表明PT-UCNP-B在體內具有深度腦區神經興奮性的雙向調節能力。

圖2 PT-UCNP-B在小鼠下丘腦外側區實現雙向神經調控

小鼠攝食行為的雙向調控

為了進一步檢驗PT-UCNP-B對攝食行為的雙向調控能力，研究者選擇性地標記了下丘腦中谷氨酸能神經元，研究了其對小鼠攝食行為的調節。實驗中，研究人員注射PT-UCNP-B并使用不同波長的激光照射LH區域，觀察小鼠的進食行為。結果表明，PT-UCNP-B可以有效地雙向調節下丘腦中的神經元活動，從而控制小鼠的進食行為。808 nm的光照能夠有效的增加小鼠進食和探索食物區域的行為表現，而980 nm的光照則減少小鼠食物攝入及降低對食物區域的興趣（圖 3）。

圖3 PT-UCNP-B雙向調控攝食行為

PT-UCNP-B/G材料實現了非侵入式深層腦神經活動性調控，不僅通過光調控神經元活動，還將熱作為另一個可控的工具來操縱神經元活動。熱調控功能的引入提供了全新的方法來進行雙向神經調節。與經典光刺激或熱刺激的獨立系統相比，光和熱的組合系統不僅具有各自獨立系統功能，還因為利用了光和熱這兩種完全不同的介質，降低了雙向調控對特定光敏蛋白和設計限制的要求，擴大了應用范圍，減少了光學干擾，提高了精度。這一系列材料不僅為光遺傳學材料設計提供了新的可能，而且這種非侵入性控制在未來神經系統相關疾病治療中具有廣闊的應用前景。

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

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（責任編輯：xu）

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