近日，西安市生物醫(yī)學光譜學實驗室聯合空軍軍醫(yī)大學神經生物學教研室，在上轉換納米粒子介導的慢性疼痛精準調控領域取得重要進展。相關成果發(fā)表于ACS Nano。論文第一作者為中國科學院西安光機所博士生郭澤蓓、助理研究員范琪，空軍軍醫(yī)大學博士生牛子怡、碩士生劉培洋，通訊作者為西安光機所研究員王荃，空軍軍醫(yī)大學教授解柔剛，西安光機所助理研究員范琪。西安光機所為第一完成單位。
慢性疼痛是全球高發(fā)的神經系統(tǒng)疾病，傳統(tǒng)藥物、介入手術等治療方案普遍存在療效有限、副作用顯著、靶向性不足等臨床痛點。光遺傳技術憑借高時空分辨率與細胞特異性調控的獨特優(yōu)勢，為神經疾病精準干預開辟了全新路徑，但傳統(tǒng)光遺傳技術依賴植入式光纖傳導可見光，不僅存在手術創(chuàng)傷與長期植入的感染風險，且可見光在生物組織中穿透深度有限，難以實現外周深部神經的無創(chuàng)、長效調控。
針對上述問題，研究團隊以痛覺信號傳導的關鍵樞紐——背根神經節(jié)（DRG）為核心調控靶點，構建了一種基于上轉換納米顆粒（UCNPs）的無線近紅外光遺傳系統(tǒng)。該系統(tǒng)可將組織穿透能力更強的近紅外光轉換為藍光，在無需植入光纖的條件下，實現對背根神經節(jié)（DRG）神經元活動的精準無創(chuàng)調控。
圖?基于上轉換納米顆粒的無線近紅外光遺傳疼痛調控系統(tǒng)示意圖
研究中，團隊合成了具有核殼結構的NaYF4:Yb,Tm@NaYF4上轉換納米顆粒。實驗表明，該納米材料在980 nm近紅外光激發(fā)下能夠穩(wěn)定發(fā)射470 nm藍光，可有效激活光敏蛋白ChR2和抑制型光敏蛋白SwiChRca。進一步的電生理實驗顯示，UCNPs介導的近紅外刺激能夠有效抑制DRG神經元異常動作電位的產生，實現對痛覺信號傳導的遠程光學抑制。
在炎癥性疼痛模型的動物行為學實驗中，該系統(tǒng)的鎮(zhèn)痛效果得到充分驗證：在近紅外光照射下，UCNPs產生的藍光能夠激活SwiChRca，顯著提高小鼠機械痛閾和熱痛閾，且鎮(zhèn)痛效果隨著近紅外光功率增加而增強。實驗全程小鼠無需光纖連接即可自由活動，為復雜行為學分析、疼痛機制研究提供了新的實驗平臺。
郭澤蓓介紹，“我們做的事情就像是給神經系統(tǒng)裝了一個‘無線遙控’。以前做光遺傳調控，就像必須拖著一根光纖才能給神經元信號，不僅操作不方便，還會帶來一定創(chuàng)傷。而我們這次利用一種特殊的納米材料，可以把穿透能力很強的近紅外光，轉換成光敏蛋白能夠識別的可見光，相當于在體內搭建了一個‘光的翻譯器’。這樣一來，只需要從體外照射近紅外光，就能在體內精準控制負責疼痛傳導的神經細胞活動，從而達到緩解疼痛的效果，而且小鼠在實驗過程中可以完全自由活動，不需要任何有線連接?！?/span>
該研究首次系統(tǒng)驗證了“UCNPs+SwiChRca”無線近紅外光遺傳策略在DRG疼痛調控中的可行性，突破了傳統(tǒng)光遺傳技術對光纖植入的依賴，為慢性疼痛的精準、微創(chuàng)治療提供了新的技術路徑。同時，該研究也為深部神經調控、腦機接口及神經疾病治療等方向的發(fā)展提供了重要參考。
王荃研究員團隊近年來圍繞腦機智能、計算機視覺、AI大模型與光學材料等方向持續(xù)開展研究，取得了一系列重要成果，相關工作發(fā)表于NeuroImage、 Pattern Recognition、 CVPR等。
