ACS Nano：近紅外光響應納米材料控制深層組織細胞信號傳遞

【摘要】

細胞間的信號傳遞對所有的生命體來說都至關重要，控制信號的傳遞有助于理解各細胞的功能，在疾病治療方面有潛在應用。但目前還沒有有效控制生命體深層組織中細胞間信號傳遞的方法。

近日麻省大學醫學院的YuanWei Zhang和Gang Han等人梳理了這方面最新的研究成果，并且提出用上轉換納米材料作為光遺傳技術的輔助工具來實現信號傳遞控制的方法，該方法在基礎研究和臨床應用方面有潛在應用。

【解讀】

過去常用的方法是將光敏化學基團吸附在信號傳輸的分子上來阻斷信號傳輸，在光的照射下，這些化學物質分解，信號傳遞恢復正常。但是這些化學基團不能精確定位，同時只能利用對人體有害且穿透能力差的紫外光來照射。

最近發展起來的光遺傳技術使得控制信號傳遞更加方便，這種技術利用基因工程在細胞中“長出”光敏蛋白，在特定波長光的照射下，這些蛋白能阻斷信號傳輸，停止照射后又恢復正常（圖2）。這種方法高度可逆，但只能利用穿透能力有限的可見光來照射，需要將光學纖維植入組織才能把光送進深層組織中。

最近，Ambrosone等人將金納米粒子和ALP混合于微膠囊中（金納米粒子能吸收近紅外光而發熱，ALP能控制信號傳輸），當用近紅外光照射膠囊的時候，金納米粒子發熱使膠囊破裂，釋放出ALP控制信號傳輸（圖1）。

Han的研究團隊將光遺傳技術做了改進，利用光子上轉換材料（增感染料-激發層核殼結構的納米粒子）將近紅外光轉換為可見光，使得該技術可以使用穿透力強的近紅外光為光源。他們利用這種方法激活河馬趾神經細胞中的ReaChR（光遺傳視蛋白）（圖3）和控制Ca2+的流動（圖4）。

圖1 微膠囊中的金納米粒子吸收近紅外光發熱使微膠囊破裂釋放出ALP，ALP吸附在GSK3β上使其失效（ALP能消耗β-cat），使β-cat在細胞核中積累從而有利于基因的表達。

圖2 （a）綠光照射使LRP6C發生聚集，從而抑制化合物DC的分解，使得β-cat能夠進入到細胞核中使目標基因發生轉錄；（b）LRP6C可以發生可逆的聚集；（c）藍光照射對熒光素酶活性的影響（ - 表示該條件不存在，+ 表示條件存在）。

圖3 左圖為增感染料-激發層核殼結構納米粒子的工作原理，右圖表示人工培養河馬趾神經細胞中ReaChR的近紅外光激活。

圖4 （a）核殼納米結構和能量在鑭系原子間傳遞的示意圖；（b）上轉換納米材料（UCNP）定向吸附過程；（c）近紅外光（NIR）照射將Ca2+注入Apto-CRAC DCs中，從而引發一系列生物反應，最終殺死小鼠體內的黑素瘤細胞（melanoma cell）；（d）有近紅外光照射（+NIR）和沒有近紅外光照射（-NIR）對腫瘤的影響（兩個小鼠都含光敏蛋白和上轉換納米材料）。圖中從左到右依次表示：在不同小鼠的同一部位注入腫瘤細胞、腫瘤的形狀、腫瘤體積與時間的關系、小鼠的肺表面（黑色小點表示腫瘤色素）、肺表面上腫瘤色素的數量。

【機遇與挑戰】

近紅外光響應納米材料讓我們可以“遙控”信號的傳遞，有望成為理解細胞間信號傳遞機制和控制細胞功能的有力工具。

但是這些材料不能使藥物定量釋放，且這些材料的光量子效率偏低，不能滿足實際臨床應用。

該研究成果于2016年4月14號發表在材料科學頂級期刊ACS Nano上，論文鏈接：Illuminating Cell Signaling with Near-Infrared Light-Responsive Nanomaterials

本文由材料人生物材料學習小組CZM供稿，材料牛編輯整理。

歡迎加入材料人生物材料學習小組，一起探討生物材料的專業問題，關注生物材料的最新動態。加入方式：添加材料人生物材料交流群（124806506），私信管理員“陳昭銘（QQ：1982342885）”報名。

歡迎各大課題組到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。