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Cell子刊:超越光遗传学的新技术

Chicago大学和Illinois大学的科学家们在三月十二日的Neuron杂志上发表文章指出,使用靶向性的金纳米颗粒,可以直接用光激活非基因改造的正常神经元。这是一个重大的技术进步,比目前的光遗传学方法更有优势。


“不需要遗传学改造,我们就能实现光遗传学刺激,”文章的资深作者,Chicago大学的Francisco Bezanilla教授说。“之前的光遗传学实验现在可以直接用于正常的组织或动物。”


光遗传学技术是对神经元进行遗传学改造使其表达一个光敏蛋白,然后通过光照对神经活性进行控制。虽然这一强大的工具已经在神经学领域得到了广泛的应用,但是由于光遗传学研究依赖于基因改造,其应用主要局限在少数几种模式生物中。


Bezanilla及其同事之前发现,红外光产生的热量能够激活非基因改造的正常神经元。但这样的方法缺乏特异性,而且会损伤细胞。为此,研究人员开始使用直径仅20nm的金纳米颗粒。


金纳米颗粒能在可见光照射下把光能转化为热量(在绿光下最有效),这种加热效果可以激活未经改造的神经元,不过纳米颗粒必须离细胞非常近。为了让纳米颗粒粘上神经元,研究人员将其与人工合成的Ts1分子结合起来,Ts1能够与钠离子通道结合。


研究显示,用Ts1-纳米颗粒处理神经元之后,就能用光激活这些神经元。就算连续清洗三十分钟,神经元还是可以被光激活,说明纳米颗粒还牢牢结合在细胞表面。清洗过程可以去除过量的纳米颗粒,降低温度过高的潜在威胁。对这些神经元进行反复光刺激,也不会损伤细胞。此外,研究人员还通过小鼠的海马体切片,测试了纳米颗粒在复杂脑组织中的效果。


“这一技术很容易实施,不需要用到电极,”Bezanilla说。“人们可以针对近红外光和可见光使用相应的纳米颗粒,这对于活体实验特别有优势。”


虽然Ts1-纳米颗粒效果很好,但它们对不响应Ts1的神经元无效。为此,研究人员又将纳米颗粒与特异性抗体偶联起来,这些抗体能结合在神经元中高水平表达的蛋白(离子通道TRPV1 和P2X3)。研究显示,抗体-纳米颗粒处理后的神经元,也能够有效地被光激活。


金纳米颗粒可以偶联不同的抗体,在应用上非常灵活。研究人员目前正在动物模型中测试这一技术的实际效果。


原文链接:Photosensitivity of Neurons Enabled by Cell-Targeted Gold Nanoparticles


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