研究人员利用纳米粒子发出的光来控制生物过程

“光遗传学”的生物学技术使用光来控制已被基因改造成对光敏感的生物组织中的细胞。但是，由于光可以一次激活多个基因，因此对此类过程的控制有限，通常需要深入穿透的光才能到达生物组织中的基因。

现在，美国国立大学的研究人员已经开发出一种方法，可以通过使用专门设计的纳米颗粒和纳米团簇(称为“超级球”)来更好地控制这一过程。当由不同波长的激光激发时，这些纳米粒子和超级球会发出不同颜色的光。这些不同颜色的光可用于触发特定的生物过程。

为了激活光敏基因，由国大生物医学工程学院张勇教授领导的研究小组使用纳米粒子和超级球将近红外(NIR)光“上转换”为更高的可见光能量。由于近红外光可以穿透，因此该方法可用于许多深层组织治疗。

纳米粒子可控制心率

张教授和他的团队发明了新的纳米粒子，它们根据用于激发它们的近红外辐射的波长发出红色或绿色的光。纳米粒子在被波长为980纳米的激光束激发时发出红色光，而当激光束的波长减小至808纳米时则发出绿色光。

除了是两种不同的颜色外，从这些纳米粒子发出的光还可用于双向激活。这与当前使用纳米粒子的光遗传疗法不同，后者只能以单向方式激活。张教授解释说：“因此，我们可以以不同的方向或以编程方式错综复杂地操纵生物过程或过程中的某些步骤。”

研究人员表明，可以使用这些颗粒来控制修饰的心肌细胞的跳动速率。通过在同一单元格中光学控制两个称为Jaws和VChR1的光激活通道，它们能够改变心跳的速度。红灯减慢心率，绿灯加快心率。

这些纳米颗粒由富含的内核组成，内核被和掺钕材料层包围。“为了产生这种正交荧光发射，我们通常需要将多个镧系元素离子掺杂到纳米晶体中。在我们的研究中，这仅通过使用一个离子即可实现。” 研究人员的这项创新确保了正交发射都来自离子。

关于这一重大突破和应用创新，张教授说：“本次演示为朝着可编程多方向途径控制迈出了重要一步，并且为在许多其他协同相互作用的生物过程(如诊断和治疗)中的应用提供了有趣的机会。 ”

这项研究的结果发表在2019年9月27日的《自然通讯》上，并于2019年10月4日作为研究要点进行了报道。

超级球激活抗癌药

除了新颖的纳米粒子，张教授及其团队最近还合成了两种不同纳米粒子的簇，他们将它们称为“超级球”。以与新型纳米粒子相似的方式，当用不同波长的近红外辐射激发时，这些超级球会发出不同颜色的光。当被波长为980纳米的激光束激发时，它们会发出红光，而当波长减小到808纳米时，它们会发出UV /蓝光。

然后将这些新颖的超级球用于增强光动力性癌症治疗程序。

当超级球受到强烈激发而发出红光时，它们便能够进入细胞。接下来，他们兴奋地发出紫外线/蓝光，以增加细胞对活性氧的敏感性。最后，他们兴奋地再次发出红光以激活光敏药物以产生活性氧。这些活性氧然后可以诱导杀死肿瘤细胞。

随着这项研究的突破，国大的科学家们开发了一种简单，用户友好的方法来合成这些超级球。超级球的形状，大小，甚至激发/发射波长都可以根据所需应用进行修改。

这项研究的结果于2019年10月8日发表在《自然通讯》上。

下一步

这些纳米颗粒和超级球的应用很多。张教授说：“这将吸引不同领域的生物学家和临床医生，特别是从事光疗工作的生物学家和临床医生，包括光动力疗法，光热疗法，光控药物/基因传递和光遗传学。”

对于接下来的研究阶段，张教授解释说：“最终，该项目的目标是将无线电子技术与纳米粒子一起用于增强的光动力疗法，从而可以治疗深部组织的大型肿瘤。” 因此，研究人员将继续开发新颖的材料并在这一领域发明创新的应用。