同济大学方寅/复旦大学张凡开发新型的纳米材料，实现微创、高时空分辨率的神经调节作用

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调节特定神经元的活动在神经回路解剖和神经病治疗中至关重要。作为最近开发的一种策略，实现远程物理刺激激活的纳米材料非遗传神经调节已经取得了进展，并显示出巨大的临床潜力。然而，微创和高时空分辨率对于非遗传神经调节仍然具有挑战性。

2022年10月27日，同济大学方寅及复旦大学张凡共同通讯在Advanced Materials在线发表题为“Transcranial Non-genetic Neuromodulation Via Bioinspired Vesicle-Enabled Precise NIR-II Optical-stimulation”的研究论文，该研究报道了第二近红外（NIR-II）光通过仿生纳米囊泡诱导的经颅非遗传神经刺激，合理设计的囊泡从囊泡膜限制的酶促反应中获得。

研究表明囊泡激活的NIR-II光热刺激可以通过精确的时空控制引发神经元信号动力学，从而在非转基因小鼠中诱发定义的神经回路。此外，囊泡介导的NIR-II光刺激可以通过消除发光植入物以微创调节小鼠运动行为。生物调节与光声脑成像相结合，实现了可控和高效的神经调制。这种由仿生囊泡介导的经颅精确NIR-II光学神经调节显示了非转基因生物中神经系统疾病的光学-治疗诊断学的潜力。

神经回路分析和神经疾病治疗迫切需要刺激明确定义神经元群的神经调节工具。多年来，渐进式电极技术和光遗传学在神经调节和神经回路激活方面做出了巨大努力。直到最近，一种基于纳米材料、具有各种刺激模式的非遗传神经调节策略引起了广泛的关注。纳米材料可以将外部物理输入（如光、超声、磁）转换为神经元识别的输出信号，从而实现远程生物调节。由于纳米材料的亚细胞尺寸，作为刺激目标的纳米材料可以实现精确的空间控制。此外，纳米材料实现的非遗传神经调节意味着其对于非转基因生物的临床潜力。

纳米材料激活的光刺激利用精确的光输入来产生声、电、机械、和热刺激，在非遗传神经调节工具中是一种有前途的策略。目前，用于非遗传性光学神经调节的光敏纳米颗粒主要由可见光激活，如金纳米颗粒，fuzzy石墨烯，以及硅基材料。由于可见光的穿透深度不足，需要发光植入物或颅骨切除术来进行体内精确的光学神经调节。侵入性植入物可能导致严重的免疫反应和不可逆的神经损伤。颅骨切除术可能导致生理紊乱。第二近红外光（NIR-II，1000–1700nm）得益于低组织衰减和光毒性，可以用来克服这些问题。然而，尽管深度穿透和经颅光学治疗诊断学有广泛的应用，但尚未对NIR-II光进行经颅非遗传神经调节研究。

用于NIR-II神经调节的仿生物囊泡的制备及表征（摘自Advanced Materials ）

另一方面，精确时空控制的神经调节是神经学研究的内在目标。光遗传学等经典策略可以通过选择性调节神经元亚型来解剖特定的神经回路。在纳米材料支持的非遗传神经调节中，研究主要集中在纳米材料的能量转导特性，而忽略了时空控制。将强宽视野照明应用在纳米材料激活的神经调节上可能导致伪信号、神经损伤和不受控的神经回路激活。

因此，必须探索纳米材料的多功能性，以实现空间靶向神经调节。事实上，基于NIR-II光敏纳米颗粒的经颅成像技术已经得到证实，纳米材料可以以高对比度和空间分辨率识别刺激目标。将新兴的脑成像技术与神经刺激策略相结合将实现有效的导航神经调节，从而避免宽视野照明。到目前为止，这种多模态综合神经调节策略仍然是未知的。

该研究引入仿生物囊泡来介导NIR-II光诱导的经颅非遗传神经刺激。研究发现在1064 nm光照下，单体多样性可以改善囊泡膜限制的酶促反应，得到具有强光热能力的聚合物包覆囊泡。毫秒级NIR-II激光脉冲可以通过光热囊泡诱导的膜电容干扰，诱发精确时空控制的神经元信号动力学。囊泡激活的NIR-II光刺激可以在不植入光纤的情况下，刺激目标大脑区域的神经元，并激活非转基因小鼠的定义的神经回路。1064 nm强度光照的30.2 %可穿透小鼠颅骨和头皮，通过远程NIR-II光学刺激实现经颅运动行为调节。此外，注射的囊泡可以诱导经颅NIR-II光声成像（PAI），赋予经颅神经调节高空间分辨率。这种仿生物囊泡激活的NIR-II神经刺激将为非转基因生物的微创和精确生物调节提供机会。

参考消息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202208601

转自：“iNature”微信公众号

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