新加坡南洋理工大學Adv. Mater.:用于生物醫學領域的近紅外光調節的納米轉換器

【引言】

生命系統中的遠程調節在生物學和醫學中發揮了重要作用，因為它有助于揭示生命系統中潛在的生理過程，并可能潛在地產生新的治療方式。目前很多研究已經使用各種外部刺激（包括磁場，超聲波，加熱，電場和機械力）來控制生物體在指定位置處的特定生物過程。這些刺激方法已經能夠調節多種生物進程，包括基因轉染，信號傳導途徑，離子通道，蛋白質活性，細胞功能，分子分離和組織再生。然而，由于磁熱效率慢，磁場需要數十到數千秒才能產生足夠的強度；并且在設置磁性設備時需要復雜的操作過程。超聲具有較差的組織靶向性，并且由于血管通透性增強可能導致轉移性擴散；加熱和機械力在時間和空間上都很難控制；電刺激是侵入性的，同樣具有較差的空間選擇性。因此，這些外部刺激的局限性部分阻礙了它們的生物醫學應用。

調節生物過程的另一種替代方案是光調節。由于光具有無創性，高時空分辨率以及在強度和波長下易于控制的優勢，因此光調節有望用于豐富的生物醫學應用中。除了可以殺死疾病細胞的光熱療法（PTT）和光動力療法（PDT）之外，基于光的應用包括離子通道的光熱開放，光敏蛋白的光刺激，生物分子的光活化控釋，組織的光交聯等等。然而，光調節技術經常遇到某些危及其潛在應用的困境。這主要是由于在光調節中廣泛使用紫外光（UV）或可見光，因為大多數當前的光敏部分僅響應這些波長的光源。紫外線和可見光由于其在活組織中易于吸收和散射，而具有非常淺的組織穿透深度。此外，每光子具有高能量的UV光很可能損壞生物分子（例如核酸，蛋白質和脂質），可能導致光毒性。為了解決這些問題，用具有較低組織吸收、較少光散射和較深組織穿透的近紅外（NIR）光源（700-1000nm）替換UV和可見光，以實現對不同生物過程的光調節。

分子轉換器對生物過程的光調節是必不可少的，因為很少有內源生物分子能夠直接響應NIR光。在這方面，光學納米材料已經顯示出它們作為先進納米換能器的潛力，并成功用于將光轉換成可以觸發生物過程或生物分子活動的潛力。例如，上轉換納米粒子（UCNP）可以將NIR光轉換成與光敏部分或蛋白質離子通道的吸收光譜匹配的UV和可見光。有機半導體納米顆粒，納米氧化銥，碳納米管和金屬納米顆粒可以轉換NIR光??以產生局部熱量，從而允許光熱刺激對溫度敏感的生物行為。此外，在暴露于NIR光時，基于光敏劑的納米結構能夠產生活性氧物質（ROS）以在活體中誘導生化反應。

【成果簡介】

在這篇綜述中，新加坡南洋理工大學浦侃裔教授課題組總結了用于近紅外光調節的光學納米轉換器的最新發展，包括神經元的光調節，基因表達和視覺系統，以及光化學組織結合。在文章中，作者討論了納米轉換器的設計原理、光學性質以及與NIR光介導的光調節有關的工作機制，以及代表性實例。最后，給出了一個簡短的總結，并討論了該領域目前的挑戰和前景。該成果以題為“Nanotransducers for Near-Infrared Photoregulation in Biomedicine”發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

Figure 1.用于近紅外光調節的光學納米轉換器的匯總

(a).神經元的光調節

(b).基因表達的光調節

(c).視覺系統的光調節

(d).光化學組織粘合

Figure 2.上轉換納米粒子作為納米轉換器的應用

(a).UCNP參與的NIR上轉換光遺傳學示意圖

(b).在980nm激發下，UCNP的發射光譜。插圖：UCNP的上轉換發射強度隨980nm處激發強度的變化

(c).用于測量UCNP介導的深部腦組織NIR上轉換的體內纖維光度測定示意圖

(d).在不同距離的980nm NIR激光照射下VTA上的上轉換發射

(e).發藍光的NaYF₄:Yb/Tm@SiO₂ UCNPs的示意圖

(f).經麻醉小鼠經顱NIR激光刺激VTA的體內實驗示意圖

(g).由DAPI染色的細胞內c-Fos陽性的神經元的百分比

(h,i).在不同條件下響應經顱VTA刺激的腹側紋狀體中的瞬時DA濃度

(j).在（h）和（i）所示的五種條件下經顱刺激開始后15秒內的累積DA釋放

(k).綠色發光NaYF₄:Yb/Er@SiO₂ UCNPs的示意圖

(l).在四種不同條件下經顱NIR激光照射后海馬的共聚焦熒光圖像

(m).在（1）中所示的四種不同條件下的c-Fos表達

Figure 3. 半導體聚合物作為光學納米轉換材料

(a).SP1和SP2的化學結構

(b).SPN和SPN_bc的合成示意圖

(c).SPN1，SPN2和AuNRs的吸收

(d).用SPN1_bc處理ND7/23細胞和HeLa細胞后的熒光圖像

(e).SPN_bc控制的光熱激活神經元中TRPV1離子通道的示意圖

(f).在808nm激光照射2秒之前和之后用SPN1_bc或SPN2_bc處理的ND7/23細胞或HeLa細胞的熒光圖像

(g).Fluo-8的熒光強度隨激光照射時間的變化

(h).Fluo-8的熒光強度隨著激光照射在808nm處的變化

Figure 4.NIR誘導的光遺傳納米平臺，以實現細胞內Ca²⁺依賴性基因表達的遠程光調節

(a).鏈霉抗生物素蛋白綴合的UCNP與工程化的ORAI1 Ca²⁺通道之間的相互作用示意圖

(b).由NIR光照射引發的體內NFAT依賴性熒光素酶表達的示意圖

(c).三只代表性BALB/c小鼠的生物成像，一只植入僅表達NFAT-Luc的HeLa細胞（左），另兩只用表達LOVSoc和NFAT-Luc（中間和右側）的細胞。用980nm激光對小鼠進行NIR光照射（左和右）。紅色圓圈表示植入區域。

(d).在Opto-CRAC DCs中NIR刺激的Ca²⁺流入，以促進未成熟的DC成熟和增強抗腫瘤免疫應答

(e).腫瘤接種部位被屏蔽或暴露于NIR激光照射

(f).不同處理后的腫瘤生長曲線

(g).治療后小鼠肺部腫瘤轉移的數量

(h).UCNP介導的光遺傳納米系統示意圖

(i).使用UCNP將Fas-Cib1-EGFP和Cry2-mCherry FADD構建體（1:2比例）在HeLa細胞中共轉染48小時；在共聚焦顯微鏡下觀察Cry2-mCherry-FADD聚集至質膜上Fas-Cib1-EGFP的時間過程

(j).在用4W NIR激光或藍光LED照射處理2小時后，在光照后48小時，光觸發HeLa細胞中裂解的聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）片段的形成

Figure 5.樹枝狀半導體聚合物用于活細胞和動物中基因表達的遠程光調節

(a).DSP的化學結構和自組裝

(b).在808nm NIR激光照射下DSP介導的基因遞送和基因表達的遠程光熱激活的示意圖

(c).用DSP/pHSP70-EGFP納米復合物轉染后的HeLa細胞的熒光圖像

(d).活體裸鼠中激光照射的示意圖

(e).在808nm處具有和沒有激光照射的動物生物發光（BL）圖像

(f).用（紅色）和不用（黑色）NIR激光照射，BL強度變化隨時間的變化

(g).用于光熱激活TRPV1信號傳導途徑以減弱動脈粥樣硬化的CuS-抗TRPV1開關示意圖

(h).由CuS-anti-TRPV1加熱誘發的Ca²⁺流入誘導的VSMC中AMPK磷酸化和LC3I和LC3II表達的Western分析

(i).主動脈根部的染色圖像

Figure 6.上轉換納米粒子用于細胞分化

(a).NIR-光介導的對體外和體內基于UCNP的納米復合物的KGN和Ca²⁺螯合劑或Ca²⁺供體的細胞內釋放的控制。整合素結合RGD配體與光老化的UCNP復合，以允許它們通過NIR光直接調節細胞內Ca²⁺，從而調節干細胞分化

(b,c).植入后21天軟骨細胞標記物（膠原蛋白II和聚集蛋白聚糖）（b）和肥大軟骨細胞標記物（RUNX2）（c）的免疫組織化學染色

(d).植入后第21天成骨細胞標記物（骨鈣蛋白）和茜素紅S（ARS）染色的免疫組織化學染色

Figure 7.將光感受器結合的UCNP（pbUCNPs）注射到小鼠眼睛的視網膜下

(a).在980nm連續波（CW）NIR激光照射下UCNP的發射光譜

(b).來自注射PBS的小鼠（左）和注射pbUCNP的小鼠（右）的視網膜的熒光圖像。(c).來自未注射的小鼠的飽和光電流

(d).明暗箱實驗圖

(e).在三種不同燈箱條件下，暗箱的偏好指數

(f).任務1-5的Y形水迷宮行為示意圖

(g).任務1的刺激

(h).光柵識別任務1的正確率

(i).用于535和980nm光柵的pbUCNP注射的小鼠和對照小鼠的視覺空間分辨率

【小結】

利用光來遠程控制生物進程的光調節提供了一種可在生物醫學中廣泛發展的新方法。然而，其發展潛力受到與內源性光敏物質的光學響應相匹配的紫外（UV）/可見光的淺組織穿透能力和光毒性的限制。因此，研究人員將具有更好組織穿透能力的近紅外（NIR）光用于光調節。由于在NIR區域中存在少量內源性生物分子吸收或發射光，因此基于NIR光的納米轉換器吸引了很多關注。在這方面，能夠將NIR光轉換成UV/可見光，熱或自由基的光學納米材料適合于很多應用場景中。在這篇綜述中作者總結了用于NIR光介導的醫學光調節的光學納米轉換器的最新發展、新興的應用（包括神經活動的光調節，基因表達和視覺系統，以及光化學組織結合）以及納米傳感器的設計。此外，還討論了該領域目前的挑戰和前景。

Nanotransducers for Near-Infrared Photoregulation in Biomedicine

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

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