近日，西安市生物醫(yī)學(xué)光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合空軍軍醫(yī)大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)教研室，在上轉(zhuǎn)換納米粒子介導(dǎo)的慢性疼痛精準(zhǔn)調(diào)控領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表于ACS Nano。論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所博士生郭澤蓓、助理研究員范琪，空軍軍醫(yī)大學(xué)博士生牛子怡、碩士生劉培洋，通訊作者為西安光機(jī)所研究員王荃，空軍軍醫(yī)大學(xué)教授解柔剛，西安光機(jī)所助理研究員范琪。西安光機(jī)所為第一完成單位。
慢性疼痛是全球高發(fā)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，傳統(tǒng)藥物、介入手術(shù)等治療方案普遍存在療效有限、副作用顯著、靶向性不足等臨床痛點(diǎn)。光遺傳技術(shù)憑借高時(shí)空分辨率與細(xì)胞特異性調(diào)控的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為神經(jīng)疾病精準(zhǔn)干預(yù)開(kāi)辟了全新路徑，但傳統(tǒng)光遺傳技術(shù)依賴(lài)植入式光纖傳導(dǎo)可見(jiàn)光，不僅存在手術(shù)創(chuàng)傷與長(zhǎng)期植入的感染風(fēng)險(xiǎn)，且可見(jiàn)光在生物組織中穿透深度有限，難以實(shí)現(xiàn)外周深部神經(jīng)的無(wú)創(chuàng)、長(zhǎng)效調(diào)控。
針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)以痛覺(jué)信號(hào)傳導(dǎo)的關(guān)鍵樞紐——背根神經(jīng)節(jié)（DRG）為核心調(diào)控靶點(diǎn)，構(gòu)建了一種基于上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNPs）的無(wú)線(xiàn)近紅外光遺傳系統(tǒng)。該系統(tǒng)可將組織穿透能力更強(qiáng)的近紅外光轉(zhuǎn)換為藍(lán)光，在無(wú)需植入光纖的條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)背根神經(jīng)節(jié)（DRG）神經(jīng)元活動(dòng)的精準(zhǔn)無(wú)創(chuàng)調(diào)控。
圖?基于上轉(zhuǎn)換納米顆粒的無(wú)線(xiàn)近紅外光遺傳疼痛調(diào)控系統(tǒng)示意圖
研究中，團(tuán)隊(duì)合成了具有核殼結(jié)構(gòu)的NaYF4:Yb,Tm@NaYF4上轉(zhuǎn)換納米顆粒。實(shí)驗(yàn)表明，該納米材料在980 nm近紅外光激發(fā)下能夠穩(wěn)定發(fā)射470 nm藍(lán)光，可有效激活光敏蛋白ChR2和抑制型光敏蛋白SwiChRca。進(jìn)一步的電生理實(shí)驗(yàn)顯示，UCNPs介導(dǎo)的近紅外刺激能夠有效抑制DRG神經(jīng)元異常動(dòng)作電位的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)對(duì)痛覺(jué)信號(hào)傳導(dǎo)的遠(yuǎn)程光學(xué)抑制。
在炎癥性疼痛模型的動(dòng)物行為學(xué)實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)的鎮(zhèn)痛效果得到充分驗(yàn)證：在近紅外光照射下，UCNPs產(chǎn)生的藍(lán)光能夠激活SwiChRca，顯著提高小鼠機(jī)械痛閾和熱痛閾，且鎮(zhèn)痛效果隨著近紅外光功率增加而增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)全程小鼠無(wú)需光纖連接即可自由活動(dòng)，為復(fù)雜行為學(xué)分析、疼痛機(jī)制研究提供了新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
郭澤蓓介紹，“我們做的事情就像是給神經(jīng)系統(tǒng)裝了一個(gè)‘無(wú)線(xiàn)遙控’。以前做光遺傳調(diào)控，就像必須拖著一根光纖才能給神經(jīng)元信號(hào)，不僅操作不方便，還會(huì)帶來(lái)一定創(chuàng)傷。而我們這次利用一種特殊的納米材料，可以把穿透能力很強(qiáng)的近紅外光，轉(zhuǎn)換成光敏蛋白能夠識(shí)別的可見(jiàn)光，相當(dāng)于在體內(nèi)搭建了一個(gè)‘光的翻譯器’。這樣一來(lái)，只需要從體外照射近紅外光，就能在體內(nèi)精準(zhǔn)控制負(fù)責(zé)疼痛傳導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)，從而達(dá)到緩解疼痛的效果，而且小鼠在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以完全自由活動(dòng)，不需要任何有線(xiàn)連接。”
該研究首次系統(tǒng)驗(yàn)證了“UCNPs+SwiChRca”無(wú)線(xiàn)近紅外光遺傳策略在DRG疼痛調(diào)控中的可行性，突破了傳統(tǒng)光遺傳技術(shù)對(duì)光纖植入的依賴(lài)，為慢性疼痛的精準(zhǔn)、微創(chuàng)治療提供了新的技術(shù)路徑。同時(shí)，該研究也為深部神經(jīng)調(diào)控、腦機(jī)接口及神經(jīng)疾病治療等方向的發(fā)展提供了重要參考。
王荃研究員團(tuán)隊(duì)近年來(lái)圍繞腦機(jī)智能、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、AI大模型與光學(xué)材料等方向持續(xù)開(kāi)展研究，取得了一系列重要成果，相關(guān)工作發(fā)表于NeuroImage、 Pattern Recognition、 CVPR等。
