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光遗传技术,如何让生命科学更具想象力?

2020.07.14

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光能控制语言和行为?

光,在我们生活中不可或缺,它带来温暖、照亮四周、给人希望。你是否想过,光可作为一种工具,控制行为,控制语言!听起来很不可思议?在神经科学领域可不会那么惊讶,其中美国德州大学西南医学中心研究团队成功以光控植入记忆的方式教导鸟类唱歌


已有研究表明,鸟类大脑中HVC区域对于学习歌曲很重要,干扰它的活动会影响鸟类学习歌曲的能力。这个区域接收来自 NIf区域的输入,这个结构中的神经元在音节的开头和结尾处发出信号,表明这些神经元在编码音节长度方面起着一定的作用。


斑胸草雀通常通过模仿父亲的歌声来学习唱歌。研究团队对幼年雄性斑胸草雀进行了实验。这些斑胸草雀从未接触过会唱歌的成年斑胸草雀,成员通过光操控 Nlf 神经元传送讯息至 HVC 中,当使用短脉冲光时,鸟儿就会发出短音节的歌声,使用长脉冲光时,鸟儿发出了长音节的歌声。

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神奇的光遗传学

光遗传学

上述这种神奇的光控技术就是光遗传学(optogenetics)。光遗传学是一项整合了光学、遗传学、电生理等多学科的生物工程技术。


其主要原理是采用基因操作技术将光感基因(如ChR2,NaHR3.0,Arch或OptoXR等)转入到特定类型的细胞中进行特殊离子通道或GPCR的表达。光感离子通道在不同波长的光刺激下会对离子的通过产生选择性,从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化,达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。

光遗传特点

光遗传技术具有独特的高时空分辨率细胞类型特异性两大特点,克服了传统手段(激动剂,抑制剂,电刺激等)的许多缺点,能对神经元进行非侵入式的精准定位调控。


基于其显著的优势,21世纪开始光遗传学在神经科学领域得到快速发展,2019年应用光遗传学发表的文章超过1000篇,其应用领域涵盖多种经典实验动物(果蝇、线虫、斑马鱼、小鼠、大鼠、绒猴以及食蟹猴等),研究内容涉及神经科学多个方面,包括神经环路基础研究、学习记忆研究、精神障碍类研究、运动障碍、睡眠障碍、各种神经系统疾病模型等应用。

光遗传学应用

除了调控神经系统,光遗传学对于疾病的治疗作用也是领域关注的热点。哥伦比亚大学研究者在2017年就已发表文章,称通过光遗传学的手段能够恢复阿尔茨海默症小鼠的记忆。


研究人员通过对小鼠进行光遗传学改造,使其在储存记忆和重新获取记忆的时候发射不同颜色的荧光。研究人员对改造的野生型小鼠与阿兹海默症小鼠进行相同气味依赖的恐惧记忆训练。一周之后再次给这些小鼠柠檬气味的刺激,结果显示野生型小鼠能够同时出现黄色与红色的荧光,而且出现了恐惧的表现,而阿尔茨海默症小鼠大脑发光的区域则明显不同,相比较说明它们的大脑在记忆重新获取的过程中发生了紊乱。


研究者们利用蓝光刺激小鼠的大脑,激活小鼠对气味及电击的记忆,当小鼠再次闻到上述气味的时候出现了颤栗的表现,记忆得到恢复。

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在疾病治疗方面,北京师范大学生科院王友军教授课题组与美国Texas A&M University 医学院 Zhou Yubin教授实验室合作开发了一项新的技术,光控“闸门” 调控兴奋型胞钙离子的进出(optoRGK),继而调控细胞的生理活动,为心脑血管疾病或神经系统疾病提供了新的治疗策略。


CaV通道被公认为是干预治疗和生理调节的重要靶点,靶向CaV通道的钙离子抑制剂在临床上已经使用很多年,但是,目前使用的抑制剂普遍存在特异性差、抑制作用不可逆等缺陷,并且长期服用化学药物对病人带来的毒副作用不容忽视。通过基因工程技术,改造CaV通道的负调控蛋白(RGK GTPase),同时引入光敏感蛋白,利用光照调控CaV通道的活性,即光照阻断钙离子的进入,光源移去后,钙离子顺利流入。与传统的钙离子抑制剂相比,optoRGK 提供了精准的靶向,利用光照来替代传统药物,对于疾病治疗显示了极大的潜力。

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光遗传学技术依赖于可透光的光纤等材料,这些材料需要植入动物体内,为减少有创手术带来的伤害,微创无创技术逐步出现。


2020年4月29日发表于Neuron上的一篇文章表示开发出了一种无需植入便能控制小鼠和灵长类神经元活动的微创光遗传学技术。他们发现了一种对光线极为敏感的新蛋白SOUL,并对神经元细胞进行基因编辑,使之能够产生这种蛋白,随后他们在光纤不植入脑区内部的前提下成功让光线穿过小鼠的头骨并改变了全脑各区域的神经元反应,在灵长类动物模型中也证明了光可以穿过恒河猴厚实的硬脑膜,到达大脑的表层区域。

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不久前,一篇来自Nanoscale的文章表示开发了一种灵活的、可完全植入的光遗传转换装置来刺激硬膜外脊髓。转换装置使用生物相容的热塑性聚丙烯作为主干,与纳米粒子(UCNPs)混合,形成一个灵活的光极器件,可以将近红外(NIR)照射转换为可见光,用于脊髓组织的光遗传操作。


在该系统中,柔性的转换装置可以完全植入脊柱结构中,即使经过4个月的实验,也显示出良好的生物相容性。在清醒活动的小鼠中,同样的装置刺激远端脊髓有效地抑制了动物的运动。这种灵活的转换装置为脊髓组织的无线神经调制提供了新的可能性。

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RWD集成化光遗传系统

从有创到微创到无创,从调控到改善再到治疗,光遗传学已经成为生命科学领域炙手可热的研究手段。


RWD集成化光遗传系统,性能稳定操作简便,致力于为神经科学领域提供一站式光遗传学研究解决方案


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这世界上有很多光,也许渺小但力量无穷。在生命科学的探索之路上,愿祥宝为你点亮光遗传学这束光,为你的科研保驾护航。


参考文献:

Wenchan Zhao et al. Inception of memories that guide vocal learning in the songbird .Science (2019) 

Jennifer N et al. Optogenetic stimulation of dentate gyrus engrams restores memory in Alzheimer's disease mice. Hippocampus (2017)

Guolin Ma et al.Optogenetic Control of Voltage-Gated Calcium Channels. Angewandte Chemie International Edition (2017)

X. Gong et al. An ultra-sensitive step-function opsin for minimally invasive optogenetic stimulation in mice and macaques. Neuron (2020)

Ying Wang et al. Flexible and Fully Implantable Upconversion Device for Wireless Optogenetic Stimulation of the Spinal Cord in Behaving Animals. Nanoscale (2020)




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