港科大唐本忠院士团队《Adv. Mater.》：光热双效纳米材料掌控食欲玄机

2023-03-05 来源：高分子科技

近十年来，光遗传学作为一种整合基因和光学技术的新兴生物技术，具有可精确控制神经元或神经回路的特定功能，被广泛应用于神经生物学研究。然而，传统光遗传学在临床应用上存在很多限制，如需要侵入性的光纤和电极来进行深部刺激、光纤产生的热量会干扰神经活动。针对这些挑战，近年来研究者们一直寻找和尝试通过新颖的光学系统和光学材料等多种策略来解决。有鉴于此，香港科技大学唐本忠院士和延安大学白占涛教授团队合作，成功设计开发了同时具有光刺激和热刺激双向调控神经元的材料，利用不同波长近红外光控制光与热的交替作用，实现对神经元活动的精确调控。相关成果以标题“Dual Behavior Regulation: Tether-free Deep-brain Stimulation by Photothermal and Upconversion Hybrid Nanoparticles”发表于《Advanced Materials》期刊（DOI: 10.1002/adma.202210018）。港科大博士后孙飞一，港科大博士研究生沈翰辰和延安大学杨清湖副教授为本文的共同第一作者。

本文要点：

光热双效材料的开发

本文报道了两种光遗传材料PT-UCNP-B (蓝色上转换荧光)和PT-UCNP-G (绿色上转换荧光)，它们由光热材料和二氧化硅包覆的上转换纳米颗粒（UCNPs）组成，可通过两种不同的近红外激发光（808 nm和980 nm）分别进行热刺激和光刺激，实现了精准双向调控神经元。研究人员通过稳定的共价键将基于苯并双噻二唑（BBT）的光热材料链接到UCNPs表面，以实现高效的光热转换（图1）。

图1 PT-UCNP-B/G的化学结构和光物理性质

小鼠脑部双向神经调控

下丘脑外侧区（LH）是调控摄食等动机行为的深部脑区的关键神经基质，其中LH谷氨酸神经元主要负责摄食行为状态变化。因此，他们监测了LH谷氨酸神经元在摄食行为任务中的jRCaMP1a信号转移。当小鼠靠近食物区且没有激光照射时，jRCaMP1a信号的荧光强度会增加。随后，在808nm照射下，钙信号显著减少，而在980nm照射下信号显著增加（图2）。该结果表明PT-UCNP-B在体内具有深度脑区神经兴奋性的双向调节能力。

图2 PT-UCNP-B在小鼠下丘脑外侧区实现双向神经调控

小鼠摄食行为的双向调控

为了进一步检验PT-UCNP-B对摄食行为的双向调控能力，研究者选择性地标记了下丘脑中谷氨酸能神经元，研究了其对小鼠摄食行为的调节。实验中，研究人员注射PT-UCNP-B并使用不同波长的激光照射LH区域，观察小鼠的进食行为。结果表明，PT-UCNP-B可以有效地双向调节下丘脑中的神经元活动，从而控制小鼠的进食行为。808 nm的光照能够有效的增加小鼠进食和探索食物区域的行为表现，而980 nm的光照则减少小鼠食物摄入及降低对食物区域的兴趣（图 3）。

图3 PT-UCNP-B双向调控摄食行为

PT-UCNP-B/G材料实现了非侵入式深层脑神经活动性调控，不仅通过光调控神经元活动，还将热作为另一个可控的工具来操纵神经元活动。热调控功能的引入提供了全新的方法来进行双向神经调节。与经典光刺激或热刺激的独立系统相比，光和热的组合系统不仅具有各自独立系统功能，还因为利用了光和热这两种完全不同的介质，降低了双向调控对特定光敏蛋白和设计限制的要求，扩大了应用范围，减少了光学干扰，提高了精度。这一系列材料不仅为光遗传学材料设计提供了新的可能，而且这种非侵入性控制在未来神经系统相关疾病治疗中具有广阔的应用前景。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210018

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（责任编辑：xu）

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