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新型纳米光转换系统实现机体深层组织的精确光控细胞行为
光遗传学（Optogenetics）是当前神经科学研究领域最先进的技术之一，这种技术利用基因学的方法在大脑的神经细胞膜上修饰一种光敏通道蛋白，通过光来控制通道蛋白的开放和关闭并形成动作电位，从而精确的控制神经细胞的兴奋和抑制。目前，常用的光控技术都是基于紫外光或可见光来活化光敏通道蛋白，然而，这类光容易被生物体内的诸如血红蛋白，黄素，黑色素等物质吸收，进而降低其组织穿透深度并可能会引起机体的光损伤。近日，新加坡南洋理工大学邢本刚教授课题组和厦门大学刘刚教授课题组合作，在基于深层组织中精确光控调节靶细胞光敏通道蛋白的研究领域取得重要进展，相关成果以封面文章的形式发表在国际顶级化学学术期刊《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201612142）上。
基于近红外光具有深层组织穿透性的特点，该研究团队提出了一种近红外光远程精准调控靶细胞表面光敏离子通道蛋白的新策略。他们设计了一种新型的纳米光转换器——稀土上转换荧光纳米粒子（UCNs），这种特殊的材料能够将近红外光（808 nm）转化为可见区的蓝光（480 nm），从而有效的激活靶细胞膜上的光敏离子通道蛋白（channelrhodopsin-2）。为了实现对靶细胞精准有效的选择性调控，他们利用细胞内更为简单高效的糖代谢途径，让靶细胞摄取含有叠氮基团的甘露糖，从而在细胞膜上的糖蛋白末端表达出叠氮基团修饰的唾液酸受体，并成功的把UCNs定位在靶细胞的表面。实验结果表明，在808 nm近红外光照射下，UCNs发出很强的蓝光可以高效调控细胞表面光敏离子通道蛋白的开启和关闭，引起离子的进入并形成光电流。进一步的研究表明，这种近红外光控的方法不仅可以精确调节钙离子的进入量，还能够有效的调控靶细胞的生理功能（比如凋亡的发生）。同时，以斑马鱼为模型的动物实验也成功证明了这种近红外光控技术不仅能够在活体内对靶细胞光敏离子通道蛋白的功能实现精准有效的控制，还具有良好的组织穿透深度。该研究成果有望作为新一代的光遗传学技术，为人们深入理解相关疾病的病理生理机制和精准有效的临床治疗提供新的线索。
该项研究工作得到了新加坡南洋理工大学启动基金和国家自然科学基金等项目的支持。
该论文作者为：Xiangzhao Ai, Linna Lyu, Yang Zhang, Yanxia Tang, Jing Mu, Fang Liu, Yixi Zhou, Zhenghong Zuo, Gang Liu, Bengang Xing
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Remote Regulation of Membrane Channel Activity by Site-Specific Localization of Lanthanide-Doped Upconversion Nanocrystals
Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201612142