科学家设计声光遗传学方法，兼具高超声灵敏度和强机械发光，可基因靶向调控深脑
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麻省理工科技评论-科学家设计声光遗传学方法，兼具高超声灵敏度和强机械发光，可基因靶向调控深脑
近期，美国德克萨斯大学奥斯汀分校助理教授王辉亮团队制备了一种聚焦超声介导的脂质体纳米粒子，并以此为基础开发了非侵入的声光遗传技术，首次实现了用声光遗传技术进行深脑神经调控。
具体来说，在超声刺激下，通过该纳米材料能够将超声转换为光，产生亚秒响应延迟的蓝光，有效激活视蛋白表达的神经元用于神经网络解析和行为调控。
优异的生物安全性和生物相容性数据表明，该技术有望在未来进行大型动物非侵入靶向的深脑调控。审稿人对该研究评价道：“非侵入性声光遗传学在深部组织中的应用，对神经科学领域具有重要的意义。“
近日，相关论文以《超声级联放大的机械力致发光纳米器用于声光遗传深脑刺激》（Ultrasound-Induced Cascade Amplification in a Mechanoluminescent Nanotransducer for Enhanced Sono-Optogenetic Deep Brain Stimulation）为题发表在ACS Nano[1]。
德克萨斯大学奥斯汀分校博士后研究员王文靓为论文的第一作者，助理教授王辉亮为论文的通讯作者。
首次通过声光遗传学实现深脑调控
在神经调控领域，目前 Medtronic、Boston Scientific、Abbott 等产业化公司展现出神经调控技术的发展潜力，应用相关技术治疗帕金森、癫痫、疼痛、心理疾病等。
此外，美国医疗技术公司 Axonics Modulation Technologies 还通过可植入骶骨神经调控装置治疗尿失禁等。
对大脑深部特定区域的神经元实现靶向调控，对于理解和治疗神经系统疾病非常重要。根据文献报道，通过在大脑内植入电极刺激丘脑底核神经元来治疗帕金森病，是目前临床采用的主要技术手段之一。
虽然该方法能够改善帕金森病患者的一些临床症状（例如手抖），但仍是一种“治标不治本”的方式。并且，植入电极涉及到开颅手术，极有可能对电极周边的大脑神经元造成永久损伤，并具有感染等风险。
用光遗传学方法治疗帕金森病能够通过靶向特定的神经群落，降低脱靶效应造成的副作用的同时实现长效的治疗效果。然而，该方法受到可见光对脑组织穿透深度的限制。
那么，有没有可能通过非侵入的方式来解决呢？王辉亮在成立独立课题组之前，就开始思考这个实际的临床需求。
超声具有组织穿透深和临床安全性高的优势，而声光遗传学不需要在大脑内植入电极，能够无损、精准地将光递送到靶向区域调控某一种类的神经元，并可达到毫秒级的时间分辨率，以及符合超过 10cm 穿透深度的临床需求。
2019 年，王辉亮与美国斯坦福大学洪国松教授课题组合作，首次在 PNAS 报道了利用机械发光的无机纳米粒子，他们将聚焦超声转化为光以实现光遗传学刺激，该方法被称为“声光遗传学（Sono-Optogenetics）”[2]。
并且，成功验证了该技术对神经元的体外控制和小鼠运动行为体内控制的功效。这种基于超声靶向神经调控的方法，为实现远程和基因靶向调控大脑提供了一种有前景的方法。
2023 年初，该课题组在 JACS 报道了一种脂质体纳米颗粒（Lipo@IR780/L012），通过这种有机聚焦超声介导的机械发光纳米材料用于大脑中非侵入光递送[3]。
然而，不可忽视的是，由于化学反应效率低和发光强度等限制因素，神经调控的区域只能局限在浅脑。研究人员发现，发光强度受超声能量的影响，要想实现深脑区域的神经调控，则需要较高的超声强度。
在该研究中，研究人员从分子机理出发，进一步开发了具有更强发光和更高灵敏性的纳米体系，首次通过声光遗传学实现了小鼠深脑区域的调控，并实现控制小鼠的神经活动和改变它的行为。
目前，王辉亮课题组正着力于开发能够发射不同波长的超声纳米体系，例如绿光、黄光、红光等。另一方面，研究团队也在尝试与其他有机材料/声敏剂结合，以实现更高的超声灵敏度。
通过大量测试和筛选不同的化学发光剂，研究人员找到具有高响应灵敏度和反应活性的试剂：化学发光剂 L012 和超声增敏剂 IR780。
然后，将它们装载到负载了过氧化钙（CaO2）粒子的脂质体中，以制备出光子产率更高的机械发光纳米粒子（Lipo@IR780/L012/CaO2）。
根据实验结果，利用脑组织中聚焦超声的高能量传递效率，以及这些机械发光纳米粒子对超声的高敏感性，能够在小鼠的大脑浅表运动皮层和中脑腹侧被盖区（ventral tegmental area ，VTA）中，实现有效的光递送，从而激活视蛋白 ChR2 表达的神经元，控制小鼠的行为。
研究人员在行为学研究时，通过无损的刺激方式能够控制小鼠的奖赏、成瘾等行为。王文靓解释说道：“在未来，该技术也可以开发用于减肥，例如，人们想减肥但又不想运动，我们就可以通过这种无创、远程控制特定的神经环路的方式来解决该问题。”
他们发现该技术可以有效激活神经元，并具有小于 4 毫秒的响应延迟，符合实际的应用需求。“当时非常激动，也第一时间和王老师分享了这个好消息。”王文靓说道。
需要了解的是，在神经调控领域，响应速度和灵敏度至关重要。神经元的放电频率是神经源或大脑区域之间沟通的重要方法，因此它相当于一种大脑区域之间沟通的“语言”。得益于该纳米体系优异的超声响应速度和灵敏度，我们能够实现对神经元有效的控制。
例如，通过 20 赫兹实现小鼠有效的小幅度动作调控（转圈），以及用于阿尔兹海默症的治疗。已有研究证实，以 40 赫兹激活内侧间隔小蛋白神经元，能够恢复海马体的伽玛振荡，从而减缓阿尔兹海默症的病状[4]。
据介绍，该体系相对比较简单，大多使用的都是经 FDA（Food and Drug Administration，美国食品药品监督管理局）批准的原材料。在生物安全性方面，研究人员已经在小鼠通过免疫反应进行神经元调亡的实验，并通过基本的安全性验证。
王辉亮指出，生物安全性较高，意味着该技术具备较高的临床转化潜力。未来往更大的动物模型或人体试验发展，则会提出更多的安全性要求。
“千里马常有，而伯乐不常有”
王辉亮课题组的研究方向为神经科学研究和临床疾病中神经接口的纳米材料、电子学和声光遗传学技术的开发。王文靓是其实验室的第一位博士后，他见证了初期的艰苦时刻和科研成果的快速发展。
2021 年 1 月，王辉亮在筹备建立实验室时，正好赶上一场暴雪导致奥斯汀的很多房屋都漏水、停电，新实验室的装修无法按计划进行。“屋漏偏逢连夜雨” ，彼时又赶上新冠疫情，很多实验不能马上展开。
但是王辉亮并没有因此停下来，在实验室筹备阶段，他找到系里其他教授借实验室空间推进相关课题。直到 2022 年 1 月，王辉亮才搬进了自己的实验室，比原计划晚了整整一年时间。
对于一位刚成立实验室的 PI 来说，招收到理想的博后并不容易。“文靓完全超乎我的预期，没想到我实验室的第一位博士后就这么靠谱。他效率特别高，能够全身的投入到研究中。并且，他经常提出非常好的学术想法。”王辉亮说道。
王文靓在博士毕业后加入美国约翰霍普金斯大学，开展了 2 年的神经病理学博后学习，但在学习研究的工程中，他发现自己对神经工程更感兴趣。而王辉亮不仅有神经科学的经历，还在神经工程和学科交叉方面有丰富的技术和经验积累。
王辉亮在英国牛津大学获得材料学的本科和硕士学位，博士期间，他在斯坦福大学以纳米材料和柔性电子为主要研究方向，博士导师是美国国家工程院院士鲍哲南教授。
然后，在光遗传学先驱斯坦福大学卡尔·戴瑟罗斯（Karl Deisseroth）教授课题组从事博后研究，并在此期间与斯坦福大学洪国松团队合作开发出声光遗传学技术。基于博士和博后期间的科研成果，他成为《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”2021 年中国区入选者之一。
王文靓表示，王辉亮和他亦师亦友。“王老师的思维非常活跃，并具有很高的学术眼界和追求。最为关键的是，从来他不会把博士生和博后当做数据机器，而是给予了充分的尊重和信任。”
他继续说道：“每次讨论都能够耐心地听完我的一些想法，再给出各种建设性的意见去帮助我提升自己的学术视野。同时，对于个人未来的职业发展，也给予充分的支持。千里马常有而伯乐不常有，我很感谢能在王老师的指导下开展研究工作，也希望能和他一起完成声光遗传学长远的规划。”
据悉，该团队计划把该技术运用到更大的动物模型和人体临床试验。王辉亮表示，希望把声光遗传学发展成为治疗帕金森病效果更佳、更无损的神经调控方法，并拓展到治疗中风、自闭症、阿尔茨海默病等疾病。
参考资料：
1. Wang,W. et al.Ultrasound-Induced Cascade Amplification in a Mechanoluminescent Nanotransducer for Enhanced Sono-Optogenetic Deep Brain Stimulation. ACS Nano, 17, 24, 24936–24946 (2023) .
2. Wu,X. et al.Sono-optogenetics facilitated by a circulation-delivered rechargeable light source for minimally invasive optogenetics.PNAS,116 (52) 26332-26342 (2019).
3. Wang,W. et al.Ultrasound-Triggered In Situ Photon Emission for Noninvasive Optogenetics. Journal of the American Chemical Society (JACS), 145,2,1097-1107(2023).
4. Iaccarino H.F. et al. Gamma frequency entrainment attenuates amyloid load and modifies microglia. Nature, 540, 230-235 (2016).
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