JACS：超声触发用于无创光遗传学的原位光子发射

光遗传学通过时空控制神经回路中特定类型的神经元，彻底改变了对神经科学的认识。聚焦超声(FUS)产生的机械发光是一种非侵入性原位光子发射工具，但目前还没有一种用于时空光遗传学的生物兼容性液态机械发光系统。

2023年1月6日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校王辉亮教授和斯坦福大学洪国松教授团队在JACS 杂志发表了题为“Ultrasound-Triggered In Situ Photon Emission for Noninvasive Optogenetics”的文章。该团队研发了脂质体(Lipo@IR780/L012)纳米颗粒，用于脑光子传输中FUS触发的机械发光。

通过静脉注射Lipo@IR780/L012纳米颗粒在血液中循环，在FUS照射下，基于脂质体的级联反应，在体液中产生了同步稳定的蓝光发射，对表达视蛋白的神经元进行光遗传刺激，如方案1图示。

方案1.Lipo@IR780/L012a的FUS触发蓝光发射示意图

为进行无创深部脑光遗传刺激，通过薄膜水合策略制造FUS触发的纳米光源(Lipo@IR780/L012）（图1a），这种光源有三种主要成分：发光化合物L012、声敏剂IR780和脂质载体。

其原理为声敏剂IR780通过声空化将超声波能量传递给附近的氧气或水分子，产生活性氧(ROS)，主要是单线态氧(1O2)和羟基自由基(·OH)。随后，激活发光化合物L012产生光，从而激活表达视蛋白的特定类型神经元，以控制动物行为或将来治疗神经系统疾病。

图1.Lipo@IR780/L012的纳米性能

通过体液模拟溶液中的动态光散射（DLS）和FUS照射评估Lipo@IR780/L012纳米颗粒稳定性。在含10%胎牛血清（FBS）的溶液中孵育或FUS照射后，没有明显的尺寸变化（图1d）。

作为Lipo@IR780/L012纳米光源的主要触发器，ROS与L012的快速反应激活系统中起关键作用。因此，首先研究了在Lipo@IR780纳米颗粒中产生ROS的类型。

二苯基异苯并呋喃(DPBF)和水杨酸(SA)探针用来检测FUS照射下1O2和·OH的生成，如图2a所示。紫外可见吸收(UV−Vis) 降解光谱结果表明，1O2、·OH残基均由Lipo@IR780产生。因较高水平ROS可氧化直接杀死细胞，为进一步评估脂质体包裹Lipo@IR780/L012后·OH和1O2的浓度。

结果表明，在FUS照射下，LiPO@IR780/L012(图2f−g)中没有ROS残基从脂质体中逸出，因生成的ROS被L012迅速消耗而发出蓝光。

图2.FUS诱导Lipo@IR780纳米颗粒产生ROS

数据显示，LiPO@IR780/L012的机械发光光谱，覆盖了通道视紫红质-2(ChR2)吸收光谱和CheRiff吸收光谱，表明LiPO@IR780/L012适合激活ChR2进行光遗传刺激。在FUS照射下，LiPO@IR780/L012纳米颗粒发射470 nm蓝光，进一步光密度量化分析显示，Lipo@IR780/L012 纳米颗粒的光发射随 FUS 峰值压力线性增加(图3d)，这表明LiPO@IR780/L012纳米粒子的发光速率由ROS浓度决定。

FUS辐射的高时间分辨率光发射对于通过声光遗传学实现对特定神经元活动的精确控制十分重要。改变辐照脉冲，纳米颗粒对输出光子具有良好的稳定性，对光线强度无影响(图3f)。

接下来，用猪皮模拟正常脑组织来评估Lipo@IR780/L012纳米颗粒的非侵入性激活，如图3g所示。实验结果表明，Lipo@IR780/L012系统对重复、无创的声光遗传学刺激具有良好的可靠性和同步性。

图3.FUS激活LIPO@IR780/L012发光

为评估在重复的FUS照射下视蛋白的激活情况，利用组成性表达蓝光激活的视蛋白CheRiff-eGFP刺激人胚胎肾脏293(HEK)细胞，如图4。实验结果表明HEK细胞峰值只在机械发光发生时被激发。

接下来，在HEK细胞中评估Lipo@IR780/L012纳米颗粒的生物安全性和生物相容性。通过细胞活性和溶血试验验证，Lipo@IR780/L012纳米粒是足够安全的，可以进一步在体内应用。

图4.Lipo@IR780/L012的体外声光遗传学刺激和生物安全性测试

为了直观地评估声光脑刺激，FUS传感器与小鼠头皮直接接触，对运动皮层区域进行照射（图5a），跟踪小鼠肢体运动评估激活情况。在关节上标记不同的彩色点以追踪运动，髋关节-膝关节（θ）和膝关节-脚（φ）对FUS反应的运动关节角度变化通过DeepLabCut追踪和计算。

图5.体内声光遗传学运动皮层刺激

总 结

该研究开发了一种基于有机脂质载体、声敏剂IR780和化学发光L012的生物相容性机械发光系统，以实现在FUS下对神经活动的非侵入性光遗传刺激。体外实验表明，在不同的刺激频率下，Lipo@IR780/L012被FUS触发，激活HEK细胞的CheRif表达峰值。

体内光遗传刺激进一步证明，Thy1-ChR2-YFP转基因小鼠静脉注射脂质纳米颗粒后，在重复的FUS照射下，运动皮层神经元被无创地可逆地激活，以实现肢体运动。值得注意的是，目前FUS的轴向分辨率是毫米级的，开发亚毫米分辨率的FUS对于更具体的神经调制是势在必行的。

参考文献：

Wang, Wenliang et al. “Ultrasound-Triggered In Situ Photon Emission for Noninvasive Optogenetics.” Journal of the American Chemical Society vol. 145,2 (2023): 1097-1107. doi:10.1021/jacs.2c10666

编译作者：香蕉牛奶（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）