新加坡南洋理工大学Adv. Mater.:用于生物医学领域的近红外光调节的纳米转换器

【引言】

生命系统中的远程调节在生物学和医学中发挥了重要作用，因为它有助于揭示生命系统中潜在的生理过程，并可能潜在地产生新的治疗方式。目前很多研究已经使用各种外部刺激（包括磁场，超声波，加热，电场和机械力）来控制生物体在指定位置处的特定生物过程。这些刺激方法已经能够调节多种生物进程，包括基因转染，信号传导途径，离子通道，蛋白质活性，细胞功能，分子分离和组织再生。然而，由于磁热效率慢，磁场需要数十到数千秒才能产生足够的强度；并且在设置磁性设备时需要复杂的操作过程。超声具有较差的组织靶向性，并且由于血管通透性增强可能导致转移性扩散；加热和机械力在时间和空间上都很难控制；电刺激是侵入性的，同样具有较差的空间选择性。因此，这些外部刺激的局限性部分阻碍了它们的生物医学应用。

调节生物过程的另一种替代方案是光调节。由于光具有无创性，高时空分辨率以及在强度和波长下易于控制的优势，因此光调节有望用于丰富的生物医学应用中。除了可以杀死疾病细胞的光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT）之外，基于光的应用包括离子通道的光热开放，光敏蛋白的光刺激，生物分子的光活化控释，组织的光交联等等。然而，光调节技术经常遇到某些危及其潜在应用的困境。这主要是由于在光调节中广泛使用紫外光（UV）或可见光，因为大多数当前的光敏部分仅响应这些波长的光源。紫外线和可见光由于其在活组织中易于吸收和散射，而具有非常浅的组织穿透深度。此外，每光子具有高能量的UV光很可能损坏生物分子（例如核酸，蛋白质和脂质），可能导致光毒性。为了解决这些问题，用具有较低组织吸收、较少光散射和较深组织穿透的近红外（NIR）光源（700-1000nm）替换UV和可见光，以实现对不同生物过程的光调节。

分子转换器对生物过程的光调节是必不可少的，因为很少有内源生物分子能够直接响应NIR光。在这方面，光学纳米材料已经显示出它们作为先进纳米换能器的潜力，并成功用于将光转换成可以触发生物过程或生物分子活动的潜力。例如，上转换纳米粒子（UCNP）可以将NIR光转换成与光敏部分或蛋白质离子通道的吸收光谱匹配的UV和可见光。有机半导体纳米颗粒，纳米氧化铱，碳纳米管和金属纳米颗粒可以转换NIR光​​以产生局部热量，从而允许光热刺激对温度敏感的生物行为。此外，在暴露于NIR光时，基于光敏剂的纳米结构能够产生活性氧物质（ROS）以在活体中诱导生化反应。

【成果简介】

在这篇综述中，新加坡南洋理工大学浦侃裔教授课题组总结了用于近红外光调节的光学纳米转换器的最新发展，包括神经元的光调节，基因表达和视觉系统，以及光化学组织结合。在文章中，作者讨论了纳米转换器的设计原理、光学性质以及与NIR光介导的光调节有关的工作机制，以及代表性实例。最后，给出了一个简短的总结，并讨论了该领域目前的挑战和前景。该成果以题为“Nanotransducers for Near-Infrared Photoregulation in Biomedicine”发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】

Figure 1.用于近红外光调节的光学纳米转换器的汇总

(a).神经元的光调节

(b).基因表达的光调节

(c).视觉系统的光调节

(d).光化学组织粘合

Figure 2.上转换纳米粒子作为纳米转换器的应用

(a).UCNP参与的NIR上转换光遗传学示意图

(b).在980nm激发下，UCNP的发射光谱。插图：UCNP的上转换发射强度随980nm处激发强度的变化

(c).用于测量UCNP介导的深部脑组织NIR上转换的体内纤维光度测定示意图

(d).在不同距离的980nm NIR激光照射下VTA上的上转换发射

(e).发蓝光的NaYF₄:Yb/Tm@SiO₂ UCNPs的示意图

(f).经麻醉小鼠经颅NIR激光刺激VTA的体内实验示意图

(g).由DAPI染色的细胞内c-Fos阳性的神经元的百分比

(h,i).在不同条件下响应经颅VTA刺激的腹侧纹状体中的瞬时DA浓度

(j).在（h）和（i）所示的五种条件下经颅刺激开始后15秒内的累积DA释放

(k).绿色发光NaYF₄:Yb/Er@SiO₂ UCNPs的示意图

(l).在四种不同条件下经颅NIR激光照射后海马的共聚焦荧光图像

(m).在（1）中所示的四种不同条件下的c-Fos表达

Figure 3. 半导体聚合物作为光学纳米转换材料

(a).SP1和SP2的化学结构

(b).SPN和SPN_bc的合成示意图

(c).SPN1，SPN2和AuNRs的吸收

(d).用SPN1_bc处理ND7/23细胞和HeLa细胞后的荧光图像

(e).SPN_bc控制的光热激活神经元中TRPV1离子通道的示意图

(f).在808nm激光照射2秒之前和之后用SPN1_bc或SPN2_bc处理的ND7/23细胞或HeLa细胞的荧光图像

(g).Fluo-8的荧光强度随激光照射时间的变化

(h).Fluo-8的荧光强度随着激光照射在808nm处的变化

Figure 4.NIR诱导的光遗传纳米平台，以实现细胞内Ca²⁺依赖性基因表达的远程光调节

(a).链霉抗生物素蛋白缀合的UCNP与工程化的ORAI1 Ca²⁺通道之间的相互作用示意图

(b).由NIR光照射引发的体内NFAT依赖性荧光素酶表达的示意图

(c).三只代表性BALB/c小鼠的生物成像，一只植入仅表达NFAT-Luc的HeLa细胞（左），另两只用表达LOVSoc和NFAT-Luc（中间和右侧）的细胞。用980nm激光对小鼠进行NIR光照射（左和右）。红色圆圈表示植入区域。

(d).在Opto-CRAC DCs中NIR刺激的Ca²⁺流入，以促进未成熟的DC成熟和增强抗肿瘤免疫应答

(e).肿瘤接种部位被屏蔽或暴露于NIR激光照射

(f).不同处理后的肿瘤生长曲线

(g).治疗后小鼠肺部肿瘤转移的数量

(h).UCNP介导的光遗传纳米系统示意图

(i).使用UCNP将Fas-Cib1-EGFP和Cry2-mCherry FADD构建体（1:2比例）在HeLa细胞中共转染48小时；在共聚焦显微镜下观察Cry2-mCherry-FADD聚集至质膜上Fas-Cib1-EGFP的时间过程

(j).在用4W NIR激光或蓝光LED照射处理2小时后，在光照后48小时，光触发HeLa细胞中裂解的聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）片段的形成

Figure 5.树枝状半导体聚合物用于活细胞和动物中基因表达的远程光调节

(a).DSP的化学结构和自组装

(b).在808nm NIR激光照射下DSP介导的基因递送和基因表达的远程光热激活的示意图

(c).用DSP/pHSP70-EGFP纳米复合物转染后的HeLa细胞的荧光图像

(d).活体裸鼠中激光照射的示意图

(e).在808nm处具有和没有激光照射的动物生物发光（BL）图像

(f).用（红色）和不用（黑色）NIR激光照射，BL强度变化随时间的变化

(g).用于光热激活TRPV1信号传导途径以减弱动脉粥样硬化的CuS-抗TRPV1开关示意图

(h).由CuS-anti-TRPV1加热诱发的Ca²⁺流入诱导的VSMC中AMPK磷酸化和LC3I和LC3II表达的Western分析

(i).主动脉根部的染色图像

Figure 6.上转换纳米粒子用于细胞分化

(a).NIR-光介导的对体外和体内基于UCNP的纳米复合物的KGN和Ca²⁺螯合剂或Ca²⁺供体的细胞内释放的控制。整合素结合RGD配体与光老化的UCNP复合，以允许它们通过NIR光直接调节细胞内Ca²⁺，从而调节干细胞分化

(b,c).植入后21天软骨细胞标记物（胶原蛋白II和聚集蛋白聚糖）（b）和肥大软骨细胞标记物（RUNX2）（c）的免疫组织化学染色

(d).植入后第21天成骨细胞标记物（骨钙蛋白）和茜素红S（ARS）染色的免疫组织化学染色

Figure 7.将光感受器结合的UCNP（pbUCNPs）注射到小鼠眼睛的视网膜下

(a).在980nm连续波（CW）NIR激光照射下UCNP的发射光谱

(b).来自注射PBS的小鼠（左）和注射pbUCNP的小鼠（右）的视网膜的荧光图像。(c).来自未注射的小鼠的饱和光电流

(d).明暗箱实验图

(e).在三种不同灯箱条件下，暗箱的偏好指数

(f).任务1-5的Y形水迷宫行为示意图

(g).任务1的刺激

(h).光栅识别任务1的正确率

(i).用于535和980nm光栅的pbUCNP注射的小鼠和对照小鼠的视觉空间分辨率

【小结】

利用光来远程控制生物进程的光调节提供了一种可在生物医学中广泛发展的新方法。然而，其发展潜力受到与内源性光敏物质的光学响应相匹配的紫外（UV）/可见光的浅组织穿透能力和光毒性的限制。因此，研究人员将具有更好组织穿透能力的近红外（NIR）光用于光调节。由于在NIR区域中存在少量内源性生物分子吸收或发射光，因此基于NIR光的纳米转换器吸引了很多关注。在这方面，能够将NIR光转换成UV/可见光，热或自由基的光学纳米材料适合于很多应用场景中。在这篇综述中作者总结了用于NIR光介导的医学光调节的光学纳米转换器的最新发展、新兴的应用（包括神经活动的光调节，基因表达和视觉系统，以及光化学组织结合）以及纳米传感器的设计。此外，还讨论了该领域目前的挑战和前景。

Nanotransducers for Near-Infrared Photoregulation in Biomedicine

(Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201901607)

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。 

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