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利用近红外光远程精准调控靶细胞离子通道的新策略

近年来,随着科学家们对细胞的深入研究,人们越来越希望能够精确控制细胞的生理功能,从而深入的研究疾病的病理生理机制以及有效的治疗方式。离子通道是细胞膜上一类特殊的蛋白结构,它通过控制离子的进出来调节着诸如神经、肌肉细胞的电活动,进而影响着机体的功能和疾病的病理生理进程。作为一种安全、无损的技术,光可以远程控制离子通道的开启和关闭,从而在时空上精准调控细胞的生理功能,而且已经在光遗传学等领域展现出广阔的应用前景。


然而,目前这类光控技术都是基于紫外光或可见光来活化离子通道。这些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。因此,实现在深层组织中精确无创地控制靶细胞上的离子通道活动来有效调控细胞的生理功能,具有重要的生理意义,但仍然面临巨大的技术挑战。


利用近红外光远程精准调控靶细胞离子通道的新策略


最近,新加坡南洋理工大学邢本刚教授和厦门大学刘刚教授合作,提出了一种近红外光远程精准调控靶细胞离子通道的新策略。基于近红外光具有较深穿透性的特点,该团队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),这种材料能够将近红外光(808nm)转化为可见区的蓝光(480nm),从而激活靶细胞膜上的光敏离子通道(ChR2)。更重要的是,为了实现靶细胞精准有效的选择性调控,他们利用细胞本身具有的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,并成功的把上转换纳米粒子定位在靶细胞的表面。


利用近红外光远程精准调控靶细胞离子通道的新策略

实验组:DBCO/Cy5.5-UCNs; 对照组:control PAA/Cy5.5-UCNs


实验结果表明,在808nm近红外光照射下,UCNs发出很强的蓝光可以高效调控光敏离子通道的开启和关闭,并引起钙离子的内流。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成功证明了这种近红外光控技术不仅能够在活体内实现对靶细胞离子通道的功能实现精准有效的控制,还具有良好的组织穿透深度,有望作为新一代调控离子通道的新技术,应用于相关疾病的分子机理研究和临床治疗。


相关论文以封面文章的形式发表在Angew.Chem. Int. Ed. (DOI: 10.1002/anie.201612142)。原文链接如下,或直接点击下方阅读原文

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201612142/abstract


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