ACS Nano：近红外光响应纳米材料控制深层组织细胞信号传递

【摘要】

细胞间的信号传递对所有的生命体来说都至关重要，控制信号的传递有助于理解各细胞的功能，在疾病治疗方面有潜在应用。但目前还没有有效控制生命体深层组织中细胞间信号传递的方法。

近日麻省大学医学院的YuanWei Zhang和Gang Han等人梳理了这方面最新的研究成果，并且提出用上转换纳米材料作为光遗传技术的辅助工具来实现信号传递控制的方法，该方法在基础研究和临床应用方面有潜在应用。

【解读】

过去常用的方法是将光敏化学基团吸附在信号传输的分子上来阻断信号传输，在光的照射下，这些化学物质分解，信号传递恢复正常。但是这些化学基团不能精确定位，同时只能利用对人体有害且穿透能力差的紫外光来照射。

最近发展起来的光遗传技术使得控制信号传递更加方便，这种技术利用基因工程在细胞中“长出”光敏蛋白，在特定波长光的照射下，这些蛋白能阻断信号传输，停止照射后又恢复正常（图2）。这种方法高度可逆，但只能利用穿透能力有限的可见光来照射，需要将光学纤维植入组织才能把光送进深层组织中。

最近，Ambrosone等人将金纳米粒子和ALP混合于微胶囊中（金纳米粒子能吸收近红外光而发热，ALP能控制信号传输），当用近红外光照射胶囊的时候，金纳米粒子发热使胶囊破裂，释放出ALP控制信号传输（图1）。

Han的研究团队将光遗传技术做了改进，利用光子上转换材料（增感染料-激发层核壳结构的纳米粒子）将近红外光转换为可见光，使得该技术可以使用穿透力强的近红外光为光源。他们利用这种方法激活河马趾神经细胞中的ReaChR（光遗传视蛋白）（图3）和控制Ca2+的流动（图4）。

图1 微胶囊中的金纳米粒子吸收近红外光发热使微胶囊破裂释放出ALP，ALP吸附在GSK3β上使其失效（ALP能消耗β-cat），使β-cat在细胞核中积累从而有利于基因的表达。

图2 （a）绿光照射使LRP6C发生聚集，从而抑制化合物DC的分解，使得β-cat能够进入到细胞核中使目标基因发生转录；（b）LRP6C可以发生可逆的聚集；（c）蓝光照射对荧光素酶活性的影响（ - 表示该条件不存在，+ 表示条件存在）。

图3 左图为增感染料-激发层核壳结构纳米粒子的工作原理，右图表示人工培养河马趾神经细胞中ReaChR的近红外光激活。

图4 （a）核壳纳米结构和能量在镧系原子间传递的示意图；（b）上转换纳米材料（UCNP）定向吸附过程；（c）近红外光（NIR）照射将Ca2+注入Apto-CRAC DCs中，从而引发一系列生物反应，最终杀死小鼠体内的黑素瘤细胞（melanoma cell）；（d）有近红外光照射（+NIR）和没有近红外光照射（-NIR）对肿瘤的影响（两个小鼠都含光敏蛋白和上转换纳米材料）。图中从左到右依次表示：在不同小鼠的同一部位注入肿瘤细胞、肿瘤的形状、肿瘤体积与时间的关系、小鼠的肺表面（黑色小点表示肿瘤色素）、肺表面上肿瘤色素的数量。

【机遇与挑战】

近红外光响应纳米材料让我们可以“遥控”信号的传递，有望成为理解细胞间信号传递机制和控制细胞功能的有力工具。

但是这些材料不能使药物定量释放，且这些材料的光量子效率偏低，不能满足实际临床应用。

该研究成果于2016年4月14号发表在材料科学顶级期刊ACS Nano上，论文链接：Illuminating Cell Signaling with Near-Infrared Light-Responsive Nanomaterials

本文由材料人生物材料学习小组CZM供稿，材料牛编辑整理。

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