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技术资料/正文
光遗传技术，如何让生命科学更具想象力
385 人阅读发布时间：2020-12-29 11:52
光能控制语言和行为
光，可以是冬日的暖阳，夜空的星月，蛰伏的萤虫，令人期盼的万家灯火……光也可以作为一种工具，控制行为，控制语言！这在神经科学领域已经得到证实，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。
研究团队对幼年雄性斑胸草雀进行实验，斑胸草雀通常通过模仿父亲的歌声来学习唱歌，而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。
歌曲学习和相关神经回路概述（图源参考文献）
神奇的光遗传学
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。
光遗传让生命科学更具想象力
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。
改造原理图（图源参考文献）
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。
optoRGK作用示意图（图源自参考文献）
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。
微创光遗传示意图（图源参考文献）
无线光遗传学为动物的远程刺激和抑制提供了有效方法，这在神经科学研究中，具有很大应用前景，为大脑以外神经组织的研究提供更好的思路。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。
脊髓调控示意图（图源参考文献）
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。
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，愿瑞沃德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)
光，可以是冬日的暖阳，夜空的星月，蛰伏的萤虫，令人期盼的万家灯火……光也可以作为一种工具，控制行为，控制语言！这在神经科学领域已经得到证实，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。
研究团队对幼年雄性斑胸草雀进行实验，斑胸草雀通常通过模仿父亲的歌声来学习唱歌，而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。
歌曲学习和相关神经回路概述（图源参考文献）神奇的光遗传学
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。
光遗传让生命科学更具想象力
- 调控神经系统
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。
- 对一些疾病能产生治疗作用
改造原理图（图源参考文献）
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。
optoRGK作用示意图（图源自参考文献）
- 促进微创及无创技术发展
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。
微创光遗传示意图（图源参考文献）
无线光遗传学为动物的远程刺激和抑制提供了有效方法，这在神经科学研究中，具有很大应用前景，为大脑以外神经组织的研究提供更好的思路。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。
脊髓调控示意图（图源参考文献）
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。
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，愿瑞沃德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)