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用于生物医学领域近红外光调控的纳米转换器

TIME:2019-08-09   click:

  远程调控生物活性有助于揭示生命系统中潜在的生理过程,并有可能研发出新的治疗方式,因此它在生物学和医学领域发挥了重要的作用。目前各种外部刺激(包括磁场、超声波、加热、电场和机械力)已经被用来调控生物体中指定部位的特定生物过程。这些刺激方法能够实现多种生物活性的调控,包括基因转染、信号通路、离子通道、蛋白▼▲质活性、细胞功能、生物分子分离和组织再生。然而,由于具有慢的磁热效应,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。超声处理具有较差的组织靶向性,而且可能会导致恶性细胞的转移性扩散。加热、机械力◁☆●•○△和电刺激都很难实现在时间和空间上的可控制性。因此,这些外部刺激的局限性在一定程度上限制了它们的生物医学应用。

  调控生物过程的另一种替代方法是光调节。光具有无创性、高时空分辨率和易调控性等优势,因此光调控有望应用于生物医学领域的各个方面。除了用于杀死病变细胞的光热疗法(PTT)和光动力疗法(PDT)之外,基于光调控的生物应用还包括离子通道的光热打开、光敏蛋白的光刺□◁激、生物分子的光活化控释以及组织的光交联等等。然而,光调◆■控技术经常遇到一些限制其潜在应用的困境。这主要是由于在光调控中广泛使用紫外光(UV)或可见光(大多数当前报道的光敏成分仅响应这些波长的光源)。紫外光和可见光由于其在活体组织中易于被吸收和散射,而具有非常浅的组织穿透深度。此外,紫外光具有很高的能量,很可能损坏生物分子(例如核酸,蛋白◇=△▲质和脂质),从而导致光毒性。为了解决这些问题,可以考虑用具有较低组织吸收、较少光散射和较强组织穿透能力的近红外(NIR)光源(700-1000nm)替换UV和可见光,以实现对不同生物活性的光调控。

  由于生物体内很少有内源性的生物分子能够直接地响应NIR光,分子转换器对于生物活性的光调控是必不可少的。就这一点而言,具有光学性质的纳米材料已经展现出能够将光转换成各种形式的刺激因素从而调控生物过程或者生物分子活性的潜力。例如,上转换纳米颗粒(UCNP)可以将NI△▪▲□△R光转换成与光敏成分或蛋白质离子通道的吸收光谱相匹配的UV和可见光。有机半导▲★-●体纳米颗粒、氧化石墨烯、碳纳米管和金属纳米颗粒可以转换NIR光以产生局部热量,从而实现光热刺激对温度敏感的生物行为。此外,在NIR光照射下,基于光敏剂的纳米颗粒能够产生活性氧自由基(ROS)以诱发活体中的生化反应。

  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控的光学纳米转换器★△◁◁▽▼的最新研究进展,包括神◆●△▼●经元、基因表达和视觉系统的光调控以及光化学组织粘合。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NIR光介导的光调控的作用机制。最后,该文章◆▼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。

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

  (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部位的上转换发射光谱

  (j).在(h)和(i)所示的五种条件下经颅刺激后15秒内腹侧纹状体中的累积DA释放量

  Figure 4.光遗传纳米平台用以实现细胞内Ca2+依赖性基因表达的远程光调控

  (a).链霉抗生物素蛋白修饰的UCNP与基因编辑的ORAI1 Ca2+通道之间的相互作用示意图

  (c).移植表达NFAT-Luc的HeLa细胞(左)、表达LOVSoc和NFAT-Luc(中间和右)的HeLa细胞后经过980nm激光照射(左和右)后BALB/c小鼠的生物发光成像。红色圆圈表示细胞移植区域

  (d).NIR刺激引起的Opto-CRAC DC细胞中Ca2+内流以促进未成熟的DC细胞的成熟和增强抗肿瘤免疫应答的示意图

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

  (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

  (e).经808nm激光照射细胞移植部位后活体小鼠的生物发光(BL)成像

  (f).经(红色)和不经(黑色)NIR激光照射,BL强度变化随时间的变化曲线抗体修饰的CuS纳米颗粒介导的光热激活TRPV1信号通路以减轻动脉粥样硬化的示意图

  (a).NIR光介导的基于UCNP的纳米复合物的KGN和Ca2+螯合剂或Ca2+供体的细胞内控制性释放。

  (b,c).皮下移植UCNP纳米复合物标记的间充质干细胞到小鼠体内后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图片

  (d). 皮下移植UCNP纳米复合物标记的间充质干细胞到小鼠体内后第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图片

  (b).注射PBS(左)和光感受器修饰的UCNP(pbUCNP)(右)后小鼠的视网膜的荧光图像

  (a).UCNP/PAAm/HA-RB纳米复合物介导的光化学组织粘合示意图

  利用光来远程调控生物活性的光调控提供了一种可在生物医学中广泛应用的新方法。然而,其发展潜力受★◇▽▼•到与内源性光敏感成分相匹配的紫外(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)光用于光调控。生物体内存在很少量的内源性生物分子能够吸收或发射NIR光,因此基于具有NIR光学特性的纳米转换器吸引了很多关注。在这方面,这些光学纳米材料能够将NIR光转换成UV /可见光、热或自由▪•★基,从而实现不同的光调控应用。在这篇综述中,作者总结了用于NIR光介导的生物医学领域光调控的光学纳米转换器的最新研究进展(包括神经活性、基因表达和视觉系统的光调控以及光化学组织粘合)。此外,作者还讨论了该▼▼▽●▽●领域目前的挑战和前景。

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