基于上转换纳米粒子的低损伤神经界面技术

邹亮 田慧慧

引用本文: 邹亮, 田慧慧. 基于上转换纳米粒子的低损伤神经界面技术[J]. 物理化学学报, 2020, 36(12): 2003042-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202003042 shu
Citation:  Zou Liang, Tian Huihui. Upconversion Nanoparticles-Mediated Optogenetics for Minimally Invasive Neural Interface[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(12): 2003042-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202003042 shu

基于上转换纳米粒子的低损伤神经界面技术

    作者简介:
    田慧慧,2015年毕业于北京理工大学获得博士学位;2015–2017年于北京大学从事博士后研究工作,合作导师张锦教授;2017年加入国家纳米科学中心工作,担任助理研究员,主要从事光遗传及活体神经分析技术的研究;
    通讯作者: 田慧慧, tianhh@nanoctr.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金项目(21790393, 61971150)和中国科学院先导B项目(XDB32030100)资助

摘要: 光遗传技术能够实现对特定类型神经元的高时间分辨调控。过去几年,光遗传技术在神经环路的结构与功能研究中得到了广泛应用,并且在神经疾病治疗领域具有良好的应用前景。目前光遗传常用光敏蛋白的激发波长位于可见光波段。可见光的组织穿透性差,很难通过组织外照射来调控动物大脑深部的神经元电活动,因此极大地限制了光遗传技术的应用。上转换纳米粒子可以将组织穿透性好的近红外光转换成可见光激活光敏蛋白,从而可以实现可见光的远程、低损伤递送。近几年来,基于上转换纳米粒子的光遗传技术得到了迅速发展。本文将总结基于上转换纳米粒子的光遗传技术的研究现状及技术瓶颈,并且结合柔性神经电极技术的发展,对构建可以同时调控与检测活体大脑电活动的低损伤、双向神经界面进行了展望。

English

    1. [1]

      Boyden, E. S.; Zhang F.; Bamberg, E.; Nagel, G.; Deisseroth, K. Nat. Neurosci. 2005, 8, 1263. doi: 10.1038/nn1525 doi: 10.1038/nn1525

    2. [2]

      Fenno, L.; Yizhar, O.; Deisseroth, K. Annu. Rev. Neurosci. 2011, 34, 389. doi: 10.1146/annurev-neuro-061010-113817 doi: 10.1146/annurev-neuro-061010-113817

    3. [3]

      Deisseroth, K. Nat. Methods 2011, 8, 26. doi: 10.1038/NMETH.F.324 doi: 10.1038/NMETH.F.324

    4. [4]

      Deisseroth, K. Nat. Neurosci. 2015, 18, 1213. doi: 10.1038/nn.4091 doi: 10.1038/nn.4091

    5. [5]

      Nagel, G.; Szellas, T.; Huhn, W.; Kateriya, S.; Adeishvili, N.; Berthold, P.; Ollig, D.; Hegemann, P.; Bamberg, E. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2003, 100, 13940. doi: 10.1073/pnas.1936192100 doi: 10.1073/pnas.1936192100

    6. [6]

      Han, X.; Chow, B. Y.; Zhou, H.; Klapoetke, N. C.; Chuong, A.; Rajimehr, R.; Yang, A.; Baratta, M. V.; Winkle, J.; Desimone, R.; Boyden, E. S. Front. Syst. Neurosci. 2011, 5, 18. doi: 10.3389/fnsys.2011.00018 doi: 10.3389/fnsys.2011.00018

    7. [7]

      Han, X.; Boyden, E. S. PLoS ONE 2007, 2, e299. doi: 10.1371/journal.pone.0000299 doi: 10.1371/journal.pone.0000299

    8. [8]

      Jacques, S. L. Phys. Med. Biol. 2013, 58, 5007. doi: 10.1088/0031-9155/58/14/5007 doi: 10.1088/0031-9155/58/14/5007

    9. [9]

      Yaroslavsky, A. N.; Schulze, P. C.; Yaroslavsky, I. V.; Schober, R.; Ulrich, F.; Schwarzmaier, H. J. Phys. Med. Biol. 2002, 47, 2059. doi: 10.1088/0031-9155/47/12/305 doi: 10.1088/0031-9155/47/12/305

    10. [10]

      Zhang, F.; Gradinaru1, V.; Adamantidis, A. R.; Durand, R.; Airan, R. D.; de-Lecea, L.; Deisseroth, K. Nat. Protoc. 2010, 5, 439. doi: 10.1038/nprot.2009.226 doi: 10.1038/nprot.2009.226

    11. [11]

      Wu, F.; Stark, E.; Ku, P. C.; Wise, K. D.; Buzsáki, G.; Yoon, E. Neuron 2015, 88, 1136. doi: 10.1016/j.neuron.2015.10.032 doi: 10.1016/j.neuron.2015.10.032

    12. [12]

      McCall, J. G.; Kim, T.; Shin, G.; Huang, X.; Jung, Y. H.; Al-Hasani, R.; Omenetto, F. G.; Bruchas, M. R.; Rogers, J. A. Nat. Protoc. 2013, 8, 2413. doi: 10.1038/nprot.2013.158 doi: 10.1038/nprot.2013.158

    13. [13]

      Kim T. I.; McCall, J. G.; Jung, Y. H.; Huang, X.; Siuda, E. R.; Li, Y.; Song, J.; Song, Y. M.; Pao, H. A.; Kim, R. H.; et al. Science 2013, 340, 211. doi: 10.1126/science.1232437 doi: 10.1126/science.1232437

    14. [14]

      Adamantidis, A. R.; Zhang, F.; Aravanis, A. M.; Deisseroth, K.; de Lecea, L. Nature 2007, 450, 420. doi: 10.1016/S1389-9457(11)70067-3 doi: 10.1016/S1389-9457(11)70067-3

    15. [15]

      李亚民, 王阳, 陈弘达, 王毅军, 刘媛媛, 裴为华.物理化学学报, 2020, 36, 1912054. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912054Li, Y. M.; Wang, Y.; Chen, H. D.; Wang, Y. J.; Liu, Y. Y.; Pei, W. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1912054. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912054

    16. [16]

      Bedbrook, C. N.; Yang, K. K.; Gradinaru, V.; Arnold, F. H.; Robinson, J. E.; Mackey, E. D.; Gradinaru, V.; Arnold, F. H. Nat. Methods 2019, 16, 1176. doi: 10.1038/s41592-019-0583-8 doi: 10.1038/s41592-019-0583-8

    17. [17]

      Zhang, F.; Prigge, M.; Beyrière, F.; Tsunoda, S. P.; Mattis, J.; Yizhar, O.; Hegemann, P.; Deisseroth, K. Nat. Neurosci. 2008, 11, 631. doi: 10.1038/nn.2120 doi: 10.1038/nn.2120

    18. [18]

      Lin, J. Y.; Knutsen, P. M.; Muller, A.; Kleinfeld, D.; Tsien, R. Y. Nat. Neurosci. 2013, 16, 1499. doi: 10.1038/nn.3502 doi: 10.1038/nn.3502

    19. [19]

      Yizhar, O.; Fenno, L. E.; Prigge, M.; Schneider, F.; Davidson, T. J.; O'Shea, D. J.; Sohal, V. S.; Goshen, I.; Finkelstein, J.; Paz, J. T.; et al. Nature 2011, 477, 171. doi: 10.1038/nature10360 doi: 10.1038/nature10360

    20. [20]

      Klapoetke, N. C.; Murata, Y.; Kim, S. S.; Pulver, S. R.; Birdsey-Benson, A.; Cho, Y. K.; Morimoto, T. K.; Chuong, A. S.; Carpenter, E. J.; Tian, Z.; Wang, J.; et al. Nat. Methods 2014, 11, 338. doi: 10.1038/NMETH.2836 doi: 10.1038/NMETH.2836

    21. [21]

      Miyazaki, T.; Chowdhury, S.; Yamashita, T.; Matsubara, T.; Yawo, H.; Yuasa, H.; Yamanaka, A. Cell Rep. 2019, 26, 1033. doi: 10.1016/j.celrep.2019.01.001 doi: 10.1016/j.celrep.2019.01.001

    22. [22]

      Zhou, J.; Liu, Q.; Feng, W.; Sun, Y.; Li, F. Chem. Rev. 2015, 115, 395. doi: 10.1021/cr400478f doi: 10.1021/cr400478f

    23. [23]

      Weissleder, R. Nat. Biotechnol. 2001, 19, 316. doi: org/10.1038/86684. doi: 10.1038/86684

    24. [24]

      Smith, A. M.; Mancini, M. C.; Nie, S. Nat. Nanotech. 2009, 4, 710. doi: 10.1038/nnano.2009.326 doi: 10.1038/nnano.2009.326

    25. [25]

      Shi, L.; Sordillo, L. A.; Rodríguez-Contreras, A.; Alfano, R. J. Biophotonics 2016, 9, 38. doi: 10.1002/jbio.201500192 doi: 10.1002/jbio.201500192

    26. [26]

      Pansare, V. J.; Hejazi, S.; Faenza, W. J.; Prud'homme, R. K. Chem. Mater. 2012, 24, 812. doi: 10.1021/cm2028367 doi: 10.1021/cm2028367

    27. [27]

      Yi, G. S.; Chow, G. M. Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 2324. doi: 10.1002/adfm.200600053 doi: 10.1002/adfm.200600053

    28. [28]

      Shen, J.; Chen, G.; Vu, A. M.; Fan, W.; Bilsel, O. S.; Chang, C. C.; Han, G. Adv. Opt. Mater. 2013, 1, 644. doi: 10.1002/adom.201300160 doi: 10.1002/adom.201300160

    29. [29]

      Ye, S.; Song, J.; Chen, L. C.; Wang, D.; Peng, X.; Qu, J. L. Acta Opt. Sin. 2015, 35, 221. doi: 10.3788/AOS201535.0816005 doi: 10.3788/AOS201535.0816005

    30. [30]

      Kou, L. H.; Labrie, D.; Chylek, P. Appl. Opt. 1993, 32, 3531. doi: 10.1364/AO.32.003531 doi: 10.1364/AO.32.003531

    31. [31]

      Fan, Y.; Wang, S.; Zhang, F. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 13208. doi: 10.1002/anie.201901964 doi: 10.1002/anie.201901964

    32. [32]

      Zhou, L.; Wang, R.; Yao, C.; Li, X.; Wang, C.; Zhang, X.; Xu, C.; Zeng, A.; Zhao, D.; Zhang, F. Nat. Commun. 2015, 24, 6938. doi: 10.1038/ncomms7938 doi: 10.1038/ncomms7938

    33. [33]

      Zhan, Q. Q.; Qian, J.; Liang, H. J.; Somesfalean, G.; Andersson-Engels, S. ACS Nano 2011, 5, 3744. doi: 10.1021/nn200110j doi: 10.1021/nn200110j

    34. [34]

      Wang, F.; Deng, R.; Wang, J.; Wang, Q.; Han, Y.; Zhu, H.; Chen, X.; Liu, X. Nat. Mater. 2011, 10, 968. doi: 10.1038/nmat3149 doi: 10.1038/nmat3149

    35. [35]

      Zhou, B.; Yang, W.; Han, S.; Sun, Q.; Liu, X. Adv. Mater. 2015, 27, 6208. doi: 10.1002/adma.201503482 doi: 10.1002/adma.201503482

    36. [36]

      Lu, Y.; Zhao, J.; Zhang, R.; Liu, Y.; Liu, D.; Goldys, E. M. Yang, X.; Xi, P.; Sunna, A.; Lu, J.; et al. Nat. Photon. 2014, 8, 32. doi: 10.1038/nphoton.2013.322 doi: 10.1038/nphoton.2013.322

    37. [37]

      Ortgies, D. H.; Tan, M.; Ximendes, E. C.; Rosal, B. D.; Hu, J.; Wang, L. X. X.; Rodriguez, E. M.; Jacinto, C.; Rernandez, N.; Chen, G.; et al. ACS Nano 2018, 12, 4362. doi: 10.1021/acsnano.7b09189 doi: 10.1021/acsnano.7b09189

    38. [38]

      Zheng, W.; Zhou, S.; Chen, Z.; Hu, P.; Liu, Y.; Tu, D.; Zhu, H.; Li, R.; Huang, M.; Chen, X. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 6671. doi: 10.1002/anie.201302481 doi: 10.1002/anie.201302481

    39. [39]

      Wang, Y.; Deng, R.; Xie, X.; Huang, L.; Liu, X. Nanoscale 2016, 8, 6666. doi: 10.1039/C6NR00812G doi: 10.1039/C6NR00812G

    40. [40]

      Gargas, D. J.; Chan, E. M.; Ostrowski, A. D.; Aloni, S.; Altoe, M. V. P.; Barnard, E. S.; Sanii, B.; Urban, J. J.; Milliron, D. J.; Cohen, B. E.; et al. Nat. Nanotech. 2014, 9, 300. doi: 10.1038/NNANO.2014.29 doi: 10.1038/NNANO.2014.29

    41. [41]

      Zhou, L.; Fan, Y.; Wang, R.; Li, X.; Fan, L.; Zhang, F. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 12824. doi: 10.1002/anie.201808209 doi: 10.1002/anie.201808209

    42. [42]

      Lu, Y.; Lu, J.; Zhao, J.; Cusido, J.; Raymo, F. M.; Yuan, J.; Yang, S.; Leif, R. C.; Huo, Y.; Piper, J. A.; et al. Nat. Commun. 2014, 5, 3741. doi: 10.1038/ncomms4741 doi: 10.1038/ncomms4741

    43. [43]

      Yi, G. S.; Chow, G. M. Chem. Mater. 2007, 19, 341. doi: 10.1021/cm062447y doi: 10.1021/cm062447y

    44. [44]

      Mai, H. X.; Zhang, Y. W.; Sun, L. D.; Yan. C. H. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 13721. doi: 10.1021/jp073920d. doi: 10.1021/jp073920d

    45. [45]

      Ansari, A. A.; Yadav, R.; Rai, S. B. RSC Adv. 2016, 6, 22074. doi: 10.1039/C6RA00265J doi: 10.1039/C6RA00265J

    46. [46]

      Schäfer, B. H.; Ptacek, P.; Zerzouf, O.; Haase, M. Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 2913. doi: 10.1002/adfm.200800368 doi: 10.1002/adfm.200800368

    47. [47]

      Vetrone, F.; Naccache, R.; Mahalingam, V.; Morgan, C. G.; Capobianco, J. A. Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2924. doi: 10.1002/adfm.200900234 doi: 10.1002/adfm.200900234

    48. [48]

      Qian, H. S.; Zhang, Y. Langmuir 2008, 24, 12123. doi: 10.1021/la802343f doi: 10.1021/la802343f

    49. [49]

      Liu, Y.; Tu, D.; Zhu, H.; Li, R.; Luo, W.; Chen, X. Adv. Mater. 2010, 22, 3266. doi: 10.1002/adma.201000128. doi: 10.1002/adma.201000128

    50. [50]

      Yang, D.; Li, C.; Li, G.; Shang, M.; Kang, X.; Lin, J. J. Mater. Chem. 2011, 21, 5923. doi: 10.1039/c0jm04179c doi: 10.1039/c0jm04179c

    51. [51]

      Ghosh, P.; Oliva, J.; De la Rosa, E.; Haldar, K. K.; Solis, D.; Patra, A. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 9650. doi: 10.1021/jp801978b doi: 10.1021/jp801978b

    52. [52]

      Liu, X.; Kong, X.; Zhang, Y.; Tu, L.; Wang, Y.; Zeng, Q.; Li, C.; Shic, Z.; Zhang, H. Chem. Commun. 2011, 4, 11957. doi: 10.1039/c1cc14774a doi: 10.1039/c1cc14774a

    53. [53]

      Chen, D.; Yu, Y.; Huang, F.; Lin, H.; Huang, P.; Yang, A.; Wang, Z.; Wang, Y. J. Mater. Chem. 2012, 22, 2632. doi: 10.1039/C1JM14589D doi: 10.1039/C1JM14589D

    54. [54]

      Zhang, Y.; Liu, X.; Lang, Y.; Yuan, Z.; Zhao, D.; Qin, G.; Qin, W. J. Mat. Chem. C 2015, 3, 2045. doi: 10.1039/c4tc02541e doi: 10.1039/c4tc02541e

    55. [55]

      Zou, W.; Visser, C.; Maduro, J. A.; Pshenichnikov, M. S.; Hummelen, J. C. Nat. Photonics 2012, 6, 560. doi: 10.1038/nphoton.2012.158 doi: 10.1038/nphoton.2012.158

    56. [56]

      Wu, X.; Lee, H.; Bilsel, O.; Zhang, Y.; Li, Z.; Chen, T.; Liu, Y.; Duan, C; Shen, J.; Punjabi, A.; Han, G. Nanoscale 2015, 7, 18424. doi: 10.1039/C5NR05437K doi: 10.1039/C5NR05437K

    57. [57]

      Lee, J.; Yoo, B.; Lee, H.; Cha, G. D.; Lee, H. S.; Cho, Y.; Kim, S. Y.; Seo, H.; Lee, W.; Son, D.; et al. Adv Mater. 2017, 29, 1603169. doi: 10.1002/adma.201603169 doi: 10.1002/adma.201603169

    58. [58]

      Chen, G.; Damasco, J.; Qiu, H.; Shao, W.; Ohulchanskyy, T. Y.; Valiev, R. R.; Wu, X.; Han, G.; Wang, Y.; Yang, C.; et al. Nano Lett. 2015, 15, 7400. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b02830 doi: 10.1021/acs.nanolett.5b02830

    59. [59]

      Wu, X., Zhang, Y.; Takle, K.; Bilsel, O.; Li, Z.; Lee, H.; Zhang, Z.; Li, D.; Fan, W.; Duan, C.; et al. ACS Nano 2016, 10, 1060. doi: 10.1021/acsnano.5b06383 doi: 10.1021/acsnano.5b06383

    60. [60]

      Hososhima, S.; Yuasa, H.; Ishizuka, T.; Hoque, M.; Yamashita, T.; Yamanaka, A.; Sugano, E.; Tomita, H.; Yawo, H. Sci. Rep. 2015, 5, 16533. doi: 10.1038/srep16533 doi: 10.1038/srep16533

    61. [61]

      Shah, S.; Liu, J.; Pasquale, N.; Lai, J.; McGowan, H.; Pang, Z. P.; Lee, K. B. Nanoscale 2015, 7, 16571. doi: 10.1039/C5NR03411F doi: 10.1039/C5NR03411F

    62. [62]

      Bansal, A.; Liu, H.; Jayakumar, M. K. G.; Andersson-Engels, S.; Zhang, Y. Small 2016, 12, 1732. doi: 10.1002/smll.201503792 doi: 10.1002/smll.201503792

    63. [63]

      Ai, X.; Lyu, L.; Zhang, Y.; Tang, Y.; Mu, J.; Liu, F.; Zhou, Y.; Zuo, Z.; Liu, G.; Xing, B. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 3031. doi: 10.1002/anie.201612142 doi: 10.1002/anie.201612142

    64. [64]

      Lin, X.; Wang, Y.; Chen, X.; Yang, R.; Wang, Z.; Feng, J.; Wang, H.; Lai, K. W. C.; He, J.; Wang, F.; Shi, P. Adv. Healthcare Mater. 2017, 6, 1700446. doi: 10.1002/adhm.201700446 doi: 10.1002/adhm.201700446

    65. [65]

      Wang, Y.; Lin, X.; Chen, X.; Chen, X.; Xu, Z.; Zhang, W.; Liao, Q.; Duan, X.; Wang, X.; Liu, M.; et al. Biomaterials 2017, 142, 136. doi: 10.1016/j.biomaterials.2017.07.017 doi: 10.1016/j.biomaterials.2017.07.017

    66. [66]

      Mattis, J.; Tye, K. M.; Ferenczi, E. A.; Ramakrishnan, C.; O'Shea, D. J.; Prakash, R.; Gunaydin, L. A.; Hyun, M.; Fenno, L. E.; Gradinaru, V.; et al. Nat. Methods 2011, 9, 159. doi: 10.1038/nmeth.1808 doi: 10.1038/nmeth.1808

    67. [67]

      Lin, X.; Chen, X.; Zhang, W.; Sun, T.; Fang, P.; Liao, Q.; Chen, X.; He, J.; Liu, M.; Wang, F.; Shi, P. Nano Lett. 2018, 18, 948. doi: 10.1021/acs.nanolett.7b04339 doi: 10.1021/acs.nanolett.7b04339

    68. [68]

      Chen, S.; Weitemier, A. Z.; Zeng, X.; He, L.; Wang, X.; Tao, Y.; Huang, A. J. Y.; Hashimotodani, Y.; Kano, M.; Iwasaki, H.; Parajuli, L. K.; et al. Science 2018, 359, 679. doi: 10.1126/science.aaq1144 doi: 10.1126/science.aaq1144

    69. [69]

      Buzsáki, G.; Stark, E.; Berényi, A.; Khodagholy, D.; Kipke, D. R.; Yoon, E.; Wise, K. D. Neuron 2015, 86, 92. doi: 10.1016/j.neuron.2015.01.028 doi: 10.1016/j.neuron.2015.01.028

    70. [70]

      Alivisatos, A. P.; Chun, M.; Church, G. M.; Deisseroth, K.; Donoghue, J. P.; Greenspan, R. J.; McEuen, P. L.; Roukes, M. L.; Sejnowski, T. J.; Weiss, P. S.; Yuste, R. Science 2013, 339, 1284. doi: 10.1126/science.1236939 doi: 10.1126/science.1236939

    71. [71]

      Buzsaki, G. Nat. Neurosci. 2004, 7, 446. doi: 10.1038/nn1233 doi: 10.1038/nn1233

    72. [72]

      Carandini, M. Nat. Neurosci. 2012, 15, 507. doi: 10.1038/nn.3043 doi: 10.1038/nn.3043

    73. [73]

      Nicolelis, M. A. L.; Ghazanfar, A. A.; Faggin, B. M.; Votaw, S.; Oliveira, L. M. O. Neuron 1997, 18, 529. doi: 10.1016/S0896-6273(00)80295-0 doi: 10.1016/S0896-6273(00)80295-0

    74. [74]

      Liu, J.; Fu, T. M.; Cheng, Z.; Hong, G.; Zhou, T.; Jin, L.; Duvvuri, M.; Jiang, Z.; Kruskal, P.; Xie, C.; et al. Nat. Nanotech. 2015, 10, 629. doi: 10.1038/nnano.2015.115 doi: 10.1038/nnano.2015.115

    75. [75]

      Guan, S.; Wang, J.; Gu, X.; Zhao, Y.; Hou, R.; Fan, H.; Zou, L.; Gao, L.; Du, M.; Li, C.; Fang, Y. Sci. Adv. 2019, 5, eaav2842. doi: 10.1126/sciadv.aav2842 doi: 10.1126/sciadv.aav2842

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  46
  • HTML全文浏览量:  0
文章相关
  • 发布日期:  2020-12-15
  • 收稿日期:  2020-03-19
  • 接受日期:  2020-04-22
  • 修回日期:  2020-04-22
  • 网络出版日期:  2020-04-27
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章