3月22日，《纳米尺度》（Nanoscale）在线发表了我校生命学院本科生郭敬瑄（生科2002班）、王睿鹏（生科登峰2001班）等完成的题为“Bidirectional Near-Infrared Regulation of Motor Behavior by Orthogonal Emissive Upconversion Nanoparticles”的研究论文。郭敬瑄、王睿鹏、生命学院博士生陈丽丽、硕士生熊斐鸿、博士生张永宁为论文的共同第一作者。
光遗传学通过表达光激活离子通道和泵来改造神经元，已成为全球广泛使用的神经环路解码工具。光敏感蛋白因其卓越的基因编辑精度和精确的可见光响应，使光操控特定神经元的激活和抑制具有毫秒级的高空分辨率。然而组织对可见光的高散射、强吸收，导致可见光在组织中的穿透能力很弱，限制了光遗传学在深部组织的应用。近红外光（NIR）能显著减少组织吸收和散射，表现出良好的深层组织穿透能力，但却缺乏近红外光直接激活的光响应蛋白。镧系上转换纳米粒（UCNPs）能够将近红外光转换为可见光，并且镧系UCNPs具有较窄的发射带、较大的反斯托克斯位移，其优秀的光稳定性和无光闪烁性，使其成为极好的近红外光纳米传感器替代品。
图1. 正交近红外光遗传技术 单个正交上转换纳米粒（OUNCP）受不同波长NIR（808nm & 980nm）激发后发射不同的蓝色和红色可见光，通过特异激活表达在秀丽线虫乙酰胆碱能运动神经元上的光敏感蛋白BiPOLES,双向调控线虫神经元活性和运动行为。
本研究提出一种双近红外激发正交发射Tm,Er-UCNP （OUCNP）的新思路，能够快速、稳定地对秀丽隐杆线虫的运动行为进行双向光遗传控制。她们首先在经典模式动物秀丽隐杆线虫的兴奋性胆碱能运动神经元中表达了单个双色敏感的光敏蛋白BiPOLES。BiPOLES能分别被蓝色或红光激活，并分别导致带负电荷的氯离子或带正电荷的质子、钠离子进入细胞。带负电荷的氯离子进入细胞会抑制细胞活性，相反，带正电荷的质子、钠离子进入细胞会激活细胞活性。在808 nm和980 nm激发下，合成的核/壳多层正交OUCNP分别发射蓝色光（~ 450/470 nm）和红色光（~ 650 nm）。因此，在OUCNPs存在的情况下，808 nm近红外光激发的蓝光激活BiPOLES立即导致秀丽隐杆线虫瘫痪，而980 nm近红外光激发的红光激活BiPOLES立即引起秀丽隐杆线虫身体强烈收缩，从而实现了高效双向行为调控（图1）。此外，研究发现，即使在长期激活后，OUCNPs对线虫的生物毒性也可以忽略不计，提示其较高的生物安全性。
本研究首次利用简单的OUCNP-BiPOLES组合，实现了近红外双向光遗传的神经操控，为近红外光遗传技术进一步拓展了使用场景和便利度。该技术有潜力显著提高哺乳动物深部脑光遗传操作的效率与灵活性。
论文受华中科技大学生命学院、分子生物物理教育部重点实验室与国家纳米药物工程技术研究中心张燕副教授、高尚邦教授共同指导完成。中国科学技术大学、合肥微尺度物质科学国家研究中心温泉教授和华中科技大学生命学院张雪菲参与了该工作。该研究受基金委“重点国际（地区）合作研究项目”“面上项目”支持，受华中科技大学本科生科研实践的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D3NR00009E
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