近紅外光刺激響應(yīng)材料調(diào)控離子通道功能研究進(jìn)展

李 寧，李博穎，邢成芬，2

（1.河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)與健康工程學(xué)院，天津 300401）

0 引言

離子通道作為細(xì)胞質(zhì)膜上的一種跨膜功能蛋白，在接收胞外信號(hào)刺激時(shí)，通道狀態(tài)發(fā)生變化，使某些在細(xì)胞內(nèi)不能自由進(jìn)出的帶電離子在胞內(nèi)產(chǎn)生濃度變化，將外部刺激信號(hào)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)可識(shí)別的信號(hào)，進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞生理功能[1-3]。因此，通過調(diào)控離子通道開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路的調(diào)控，對(duì)于離子通道功能異常相關(guān)疾病的治療具有重要意義[4-6]。

目前，主要有以下幾種方法用于調(diào)控離子通道功能：1）利用化學(xué)分子藥物（離子通道激活劑或抑制劑）調(diào)節(jié)離子通道活性[7]；2）利用基因工程干預(yù)通道蛋白的表達(dá)進(jìn)而影響離子通道的活性[8]；3）利用物理超聲或電刺激來激活特定的機(jī)械敏感通道或電壓門控離子通道[9]。相比于這幾種方法，利用光來控制生物過程的光遺傳學(xué)技術(shù)具有高度時(shí)空精度及組織損傷小的優(yōu)勢(shì)，在調(diào)節(jié)離子通道功能方面引起了廣泛關(guān)注[10-11]。通道視紫紅質(zhì)（Channelrhodopsins，ChRs）和鹽細(xì)菌視紫紅質(zhì)（Halorhodopsin，HR）是光遺傳學(xué)中常用的光激活蛋白。特別是，channelrhodopsin2（ChR2）是一種廣泛研究的光敏陽(yáng)離子通道蛋白，它可通過光觸發(fā)其開關(guān)引起細(xì)胞內(nèi)陽(yáng)離子的流入，包括H+、K+、Na+和Ca2+，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞功能[12-13]。盡管這些光敏通道蛋白已證實(shí)可用作光遺傳學(xué)的有力工具，但是它們響應(yīng)的光源在低穿透深度的可見光譜，從而限制了其在更深的組織中的操作。由此，研究者們通過設(shè)計(jì)組織穿透能力強(qiáng)的近紅外光響應(yīng)材料拓展光遺傳學(xué)工具調(diào)控離子通道功能，為相關(guān)疾病的治療提供新策略[14]。因此，首先，本文概述了離子通道的分類和功能以及與疾病關(guān)系；其次，聚焦于近紅外光刺激響應(yīng)材料調(diào)控離子通道功能的研究，并且對(duì)其存在的問題以及今后的發(fā)展方向進(jìn)行表述。

1 離子通道的分類和功能以及與疾病關(guān)系

離子通道具有離子選擇性和門控兩大特性，根據(jù)離子選擇性不同，離子通道可以分為不同離子類型的通道。根據(jù)通道的門控機(jī)制，離子通道又可分為機(jī)械敏感、配體門控、電壓門控離子通道。離子通道作為離子流入或流出細(xì)胞的主要參與者，具有離子吸收、電興奮形成、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和滲透壓調(diào)節(jié)等重要的生理功能。離子通道結(jié)構(gòu)或功能異常會(huì)導(dǎo)致疾病的發(fā)生，揭示疾病分子機(jī)制，對(duì)于離子通道疾病的早期診斷、干預(yù)治療具有重要意義[15-17]。

1.1 離子通道的分類、結(jié)構(gòu)和生理學(xué)功能

根據(jù)離子通道的離子選擇性，可以分為鉀（K+）、鈉（Na+）、鈣（Ca2+）和氯（Cl-）通道，其中鉀通道、鈉通道、鈣通道又稱為陽(yáng)離子通道，氯離子通道稱為陰離子通道。根據(jù)通道的開關(guān)調(diào)控機(jī)制，離子通道又可分為電壓門控離子通道、配體門控離子通道、機(jī)械敏感離子通道（圖1）[18-20]。

圖1 離子通道不同門控機(jī)制分類[20]Fig.1 Ion channels are classified based on different gating mechanisms[20]

離子通道是細(xì)胞膜或細(xì)胞器膜上的成孔和非成孔亞基包圍的親水通道。這些有序排列的蛋白質(zhì)形成一個(gè)通道，允許離子進(jìn)行跨膜遷移[21-23]。除了通道外，離子通道還包含幾個(gè)功能結(jié)構(gòu)域，例如選擇性過濾器（Selectivity Filters，SFs）、電壓傳感器（Voltage Sensor Domains，VSDs）和配體結(jié)合域（Ligand-binding Domains，LBDs）（圖2）[20]。這些結(jié)構(gòu)域參與調(diào)節(jié)離子通道以響應(yīng)不同的刺激。SFs由幾個(gè)特定的氨基酸序列形成，幾乎存在于所有離子通道中。離子通道SFs內(nèi)氨基酸和某些特定離子之間的配位使其具有不同的離子選擇性。VSDs廣泛存在于電壓門控離子通道中，并具有多個(gè)帶正電荷或負(fù)電荷的跨膜段，以響應(yīng)通道附近的膜電位變化。因此，膜電位的變化可以改變通道的構(gòu)象狀態(tài)并調(diào)節(jié)其開關(guān)。類似地，配體和離子可以從細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外選擇性地與配體門控離子通道的配體結(jié)合域結(jié)合，調(diào)節(jié)通道的打開和關(guān)閉[24-25]。

圖2 離子通道主要功能域包括選擇性過濾器（SF）、電壓傳感器（VSD）和配體結(jié)合域（LBD）[20]Fig.2 The main functional domains form and functionalize ion channels,mainly including the selectivity filter(SF),voltage sensor domain(VSD),and ligand-binding domain(LBD)[20]

離子通道通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外離子濃度進(jìn)而發(fā)揮其生理學(xué)功能。當(dāng)離子通道接收刺激信號(hào)后，通道狀態(tài)變化，使細(xì)胞代謝必需的離子在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生濃度變化，參與代謝反應(yīng)[26-27]。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)外滲透壓因細(xì)胞內(nèi)代謝反應(yīng)發(fā)生不平衡時(shí)，某些離子通道會(huì)響應(yīng)這種刺激而開啟或關(guān)閉，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外離子濃度的平衡及水分流動(dòng)，使細(xì)胞內(nèi)外滲透壓恢復(fù)至平衡狀態(tài)。離子通道還具有建立細(xì)胞靜息電位和調(diào)節(jié)細(xì)胞興奮性的作用[28-29]。此外，離子通道在細(xì)胞接收外界刺激時(shí)，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)第二信使（如Ca2+）的濃度，形成信號(hào)刺激，進(jìn)而通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控細(xì)胞功能[30-33]。

1.2 離子通道與疾病

離子通道基因突變會(huì)使其結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生改變，從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生。例如，長(zhǎng)QT綜合征的突變NaV1.5通道可以正常打開，但關(guān)閉速度比正常NaV1.5通道慢。這種突變稱為功能獲得性突變，增加了Na+離子的流入。離子通道的異常表達(dá)也會(huì)導(dǎo)致一些疾病的發(fā)生，如離子通道在腫瘤細(xì)胞中會(huì)異常表達(dá)并影響著腫瘤細(xì)胞的增殖和凋亡。同時(shí)，疾病病理狀態(tài)下一些因素也會(huì)影響離子通道功能，從而促進(jìn)疾病病理的發(fā)展。如β淀粉樣蛋白（β-amyloid Peptides，Aβ）積聚使神經(jīng)元中活性氧增多，進(jìn)而過度激活瞬時(shí)受體電位M2（Transient Potential Receptor Melastatin 2，TRPM2）離子通道增加Ca2+內(nèi)流，促使炎癥加重，造成神經(jīng)元死亡。闡明離子通道疾病的分子基礎(chǔ)能為該疾病的早期診斷和治療提供新的機(jī)會(huì)[34-36]。

1.2.1 離子通道與心率失常

遺傳性和獲得性心律失常通常與細(xì)胞水平上離子通道（鈉離子、鉀離子、鈣離子通道）的異常表達(dá)有關(guān)[37-39]。鈉離子通道的CAV3基因突變使得心肌細(xì)胞鈉離子電流增加，引起QT間期延長(zhǎng)造成心律失常。鉀離子通道的KCNQ1基因突變與3種心律失常疾病有關(guān)，包括長(zhǎng)QT綜合征、短QT綜合征、家族性心房顫動(dòng)。L型鈣離子通道CACNA1c基因突變導(dǎo)致動(dòng)作電位平臺(tái)期Ca2+內(nèi)向電流增加，造成Timothy綜合征。

1.2.2 離子通道與糖尿病

胰島β細(xì)胞上主要表達(dá)鈉離子通道、鉀離子通道、鈣離子通道三種離子通道，它們的表達(dá)和功能異常造成血糖異常[40-43]。進(jìn)食后升高的葡萄糖通過葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（GLUTs）流入β細(xì)胞，然后通過細(xì)胞質(zhì)和線粒體中的各種分解代謝途徑進(jìn)行分解代謝，產(chǎn)生ATP和少量自由基，ATP∕ADP比值升高會(huì)使ATP敏感鉀離子通道（ATP-sensitive K+Channels，KATP）關(guān)閉，進(jìn)而導(dǎo)致膜去極化，細(xì)胞興奮性增加，從而進(jìn)一步打開電壓門控鈣離子通道（Voltage-dependent Ca2+Channels，VDCCs）介導(dǎo)鈣內(nèi)流，使細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加，促進(jìn)胰島素分泌。此外，活性氧敏感的瞬時(shí)受體電位通道的激活，能促進(jìn)胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）和其他腸促胰島素分泌調(diào)控血糖。

1.2.3 離子通道與腫瘤

離子通道在腫瘤細(xì)胞中表達(dá)和功能異常，并且參與調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞的存活、死亡和新血管生成以及細(xì)胞遷移和侵襲性[44-46]。電壓門控鈉離子通道的功能表達(dá)與細(xì)胞侵襲和腫瘤轉(zhuǎn)移有關(guān)，其中Nav1.5和Nav1.7亞型是最普遍的并且與多種癌癥類型相關(guān)。瞬時(shí)受體電位A1（Transient Potential Receptor Aankyrin 1，TRPA1）離子通道是一種在乳腺癌、肺癌球狀體等人類癌癥中過表達(dá)的神經(jīng)元氧化還原敏感Ca2+內(nèi)流通道，可以感知氧化應(yīng)激，被氧化劑∕親電試劑通過半胱氨酸修飾直接激活。氧化應(yīng)激使TRPA1離子通道過渡開放進(jìn)而引起下游抗凋亡通路的開啟，從而促進(jìn)氧化應(yīng)激防御。瞬時(shí)受體電位V1（Transient Receptor Potential Vanilloid 1，TRPV1）離子通道在膀胱癌細(xì)胞、乳腺癌細(xì)胞和腦癌細(xì)胞中高度表達(dá)Ca2+通道，可被熱和辣椒素激活。通過激活TRPV1通道可引起細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[47-48]。

1.2.4 離子通道與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

老年癡呆疾病中Aβ積聚使神經(jīng)元中活性氧增多，從而過度激活TRPM2離子通道，引發(fā)炎癥反應(yīng)，造成神經(jīng)元死亡[49]。電壓依賴門控鉀離子通道通過引起延遲的膜超極化來調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性，抑制通道活性會(huì)導(dǎo)致重復(fù)的神經(jīng)元放電，表現(xiàn)為抽搐、昏厥等癲癇癥狀[50]。研究發(fā)現(xiàn)Kv7.4離子通道在調(diào)節(jié)抑郁樣行為中起重要作用，它是通過調(diào)節(jié)兩種單胺能神經(jīng)元興奮性影響抑郁樣行為，即中縫背核（DRN）中的5-羥色胺（5-HT）神經(jīng)元和腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA）的多巴胺（DA）神經(jīng)元[51]。

2 近紅外光刺激響應(yīng)材料調(diào)控離子通道功能

細(xì)胞活動(dòng)的遠(yuǎn)程控制和無創(chuàng)操作對(duì)于全面深入了解生理過程和致病機(jī)制至關(guān)重要。將分子遺傳學(xué)與光學(xué)方法相結(jié)合，作為控制細(xì)胞功能的強(qiáng)大技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注[52]。微生物視紫紅質(zhì)蛋白在目標(biāo)神經(jīng)元選擇性表達(dá)，從而利用光來控制離子通道激活神經(jīng)元活動(dòng)?；诠饩哂袝r(shí)間、空間的可操控性的優(yōu)勢(shì)，光遺傳學(xué)為神經(jīng)科學(xué)開辟了新的前景。但是在神經(jīng)元中普遍表達(dá)的二型離子通道視紫紅質(zhì)（ChR2）和鹽細(xì)菌視紫紅質(zhì)（HR），卻由于在可見光光譜上吸收范圍的限制，以及其組織穿透較淺，使光遺傳學(xué)的應(yīng)用不得已受到限制[53-55]。近紅外光表現(xiàn)出更深的組織穿透能力，對(duì)生物系統(tǒng)造成的光損傷最小，并且近紅外光響應(yīng)材料可以將近紅外光轉(zhuǎn)化為熱量和其他能量形式[56-57]。因此，越來越多的研究者們利用近紅外刺激響應(yīng)材料拓展已有的光敏蛋白用于調(diào)控離子通道功能。本文主要介紹近紅外響應(yīng)無機(jī)材料和近紅外共軛聚合物納米粒子調(diào)控離子通道功能的研究進(jìn)展。

2.1 近紅外響應(yīng)無機(jī)材料調(diào)控離子通道功能

近年來，鑭系摻雜上轉(zhuǎn)換納米粒子（Upconversion Nanoparticles，UCNPs）能夠?qū)⒔t外光激發(fā)轉(zhuǎn)化為紫外光和可見光發(fā)射，激發(fā)這些納米粒子所需的低密度近紅外光是非破壞性和高穿透性的，為遠(yuǎn)程神經(jīng)元調(diào)制、超分辨率成像和短波長(zhǎng)激光等生物和光子應(yīng)用提供了顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[58-59]。此外，基于無機(jī)材料（如金屬納米顆粒、過渡金屬氧化物和二維納米片）的光熱劑也得到廣泛開發(fā)。金屬納米粒子具有強(qiáng)散射、強(qiáng)光吸收和等離子體共振（LSPR）特性，這些特性賦予它們優(yōu)異的光熱效應(yīng)。其中，金屬納米粒子的LSPR特性可以通過調(diào)整納米結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和組成來改變，以匹配生物應(yīng)用。由于氧空位的結(jié)構(gòu)和LSPR效應(yīng)，過渡金屬氧化物納米粒子在近紅外區(qū)域具有強(qiáng)吸收和高光熱轉(zhuǎn)換效率特性。多種二維納米材料，包括石墨烯及其衍生物、二維過渡金屬碳化物和氮化物和黑磷具有比表面積大、光吸收強(qiáng)、藥物非共價(jià)鍵結(jié)合能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[60-61]。因此，無機(jī)材料光熱劑在生物光熱治療領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢(shì)。

UCNPs與細(xì)胞光遺傳學(xué)的整合在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中顯示出巨大的前景，用于調(diào)節(jié)神經(jīng)∕大腦活動(dòng)、癌癥治療[62-63]。如圖3所示，Lee課題組[64]將上轉(zhuǎn)換納米材料（NaYF4：Yb∕Tm@NaYF4）混合嵌入聚乳酸-羥基乙酸（PLGA）聚合物中，制備出生物相容性的復(fù)合薄膜支架，用于神經(jīng)元培養(yǎng)。UCNPs作為內(nèi)部激光源，將近紅外光轉(zhuǎn)化為藍(lán)光，從而促進(jìn)ChR2通道表達(dá)的神經(jīng)元的光遺傳激活。

圖3 上轉(zhuǎn)換納米粒子-聚合物薄膜促進(jìn)表達(dá)通道視紫紅質(zhì)（ChR）的神經(jīng)元的光遺傳學(xué)激活[64]Fig.3 UCNPs-polymers hybrid membrane facilitating optogenetic activation of channelrhodopsin(ChR)-expressing neurons[64]

Zhou和Han課題組合作[65]提出了一個(gè)近紅外光刺激的光遺傳學(xué)平臺(tái)（稱為“Opto-CRAC”），它選擇性地和遠(yuǎn)程控制Ca2+振蕩和Ca2+響應(yīng)基因表達(dá)，以調(diào)節(jié)非興奮性細(xì)胞（T淋巴細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞）的生物功能。如圖4所示，當(dāng)與上轉(zhuǎn)換納米粒子耦合時(shí)，光遺傳學(xué)操作窗口從可見光范圍轉(zhuǎn)移到近紅外波長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)Ca2+依賴性信號(hào)的光激活和免疫炎癥反應(yīng)的光遺傳學(xué)調(diào)節(jié)。在使用卵清蛋白作為替代腫瘤抗原的黑色素瘤小鼠模型中，Opto-CRAC已被證明可作為基因編碼的“光活化佐劑”，以改善抗原特異性免疫反應(yīng)，特異性破壞腫瘤細(xì)胞。

圖4 a)LOVSoc介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)光激活Ca2+流入以及NFAT（nuclear factor of activated T-cells）的核轉(zhuǎn)位；b)光調(diào)控Ca2+依賴性基因表達(dá)和免疫反應(yīng)；c)由NIR光刺激觸發(fā)的體內(nèi)NFAT依賴性熒光素酶表達(dá)[65]Fig.4 a)LOVSoc-mediated photoactivatable Ca2+entry and nuclear translocation of NFAT in mammalian cells;b)Photo-manipulation of Ca2+-dependent gene expression and immune response;c)NFAT-dependent luciferase expression in vivo triggered by NIR light stimulation[65]

Xing課題組[66]設(shè)計(jì)了一種新型的上轉(zhuǎn)換熒光納米粒子（UCNs），這種納米粒子能夠?qū)⒔t外光（808 nm）轉(zhuǎn)化為可見區(qū)的藍(lán)光（480 nm）遠(yuǎn)程激活光敏ChR2離子通道并有效地控制細(xì)胞中陽(yáng)離子流入（圖5）。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)細(xì)胞膜上離子通道的選擇性調(diào)控，他們利用細(xì)胞內(nèi)糖代謝途徑，讓靶細(xì)胞攝取含有疊氮基團(tuán)的甘露糖，從而在細(xì)胞膜上的糖蛋白末端表達(dá)出疊氮基團(tuán)修飾的唾液酸受體，并通過無銅催化的點(diǎn)擊反應(yīng)把表面帶有炔基的納米粒子定位在靶細(xì)胞的表面。同時(shí)，該工作實(shí)現(xiàn)了近紅外光遺傳學(xué)調(diào)控在斑馬魚模型中的可行性。

圖5 a)近紅外光響應(yīng)上轉(zhuǎn)換納米粒子在細(xì)胞膜上的位點(diǎn)特異性共價(jià)定位的代謝標(biāo)記策略，以實(shí)現(xiàn)離子通道功能的精確調(diào)節(jié)；b)在808 nm（紅色）和480 nm（藍(lán)色）激發(fā)下，表達(dá)ChR2的HEK293細(xì)胞的電生理；c)近紅外光觸發(fā)的斑馬魚體內(nèi)ChR2激活示意圖以及斑馬魚體內(nèi)鈣離子成像[66]Fig.5 a)Metabolic labeling strategy for site-specific covalent localization of NIR-light-responsive UCNs on the cell membrane to achieve precise regulation of ion channel function;b)Photocurrents in ChR2-expressing cells labeled with UCNPs under NIR and blue light excitation;c)Schematic diagram of near-infrared light-triggered ChR2 activation in zebrafish and in vivo calcium imaging in zebrafish[66]

Bu課題組[67]開發(fā)了一種具有光反應(yīng)性和穩(wěn)定性的一氧化氮（NO）納米供體的上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNPs），該納米粒子由沸石硝基-腈-咪唑骨架-82（ZIF-82）包覆，同時(shí)負(fù)載了小檗胺藥物分子。如圖6所示，在近紅外光照射下，納米粒子在ZIF-82的拓?fù)淇蚣軆?nèi)誘導(dǎo)硝基-亞硝酸鹽異構(gòu)化生成NO，隨后納米粒子降解以釋放小檗胺。NO能夠激活癌細(xì)胞中過度表達(dá)的蘭尼堿受體通道，致使Ca2+濃度突然增加。同時(shí)，小檗胺使Ca2+排泄泵關(guān)閉以抑制鈣外流，最終導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+過載誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。這項(xiàng)工作提供了一種通過調(diào)節(jié)內(nèi)源性鈣離子以殺死癌細(xì)胞的治療策略。

圖6 a)通過NO調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)蘭尼堿受體通道的癌癥治療；b)NO激活RyRs的模型[67]Fig.6 a)Schematic diagram of intracellular calcium stores modulated by NO for Ca2+-initiated cancer therapy;b)Model for RyRs activation by NO[67]

氧化石墨烯（GO）和還原型氧化石墨烯（rGO），由于其具有較強(qiáng)的近紅外吸收和優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力，已廣泛用于光熱療法和細(xì)胞功能調(diào)控方面。鈣調(diào)蛋白（Calmodulin，CaM）通過與鈣離子的結(jié)合參與眾多生化反應(yīng)。對(duì)CaM進(jìn)行實(shí)時(shí)、可視的檢測(cè)有助于研究其在細(xì)胞信號(hào)通路中的功能，進(jìn)而揭示各種相關(guān)生理活動(dòng)的發(fā)生機(jī)制。本課題組[68]通過設(shè)計(jì)構(gòu)象敏感型陽(yáng)離子聚噻吩，以及構(gòu)建共軛聚合物和氧化石墨烯（GO）復(fù)合探針，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同構(gòu)象鈣調(diào)蛋白的高信噪比、高靈敏度的檢測(cè)，為進(jìn)一步理解、調(diào)控鈣調(diào)蛋白在信號(hào)通路中的作用提供了新方法與新思路。在此工作的基礎(chǔ)上，本課題組利用還原型氧化石墨烯（rGO）的光熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞鉀離子通道的遠(yuǎn)程調(diào)控（圖7）[69]。該工作針對(duì)3種不同類型的鉀離子通道進(jìn)行了遠(yuǎn)程調(diào)控研究。對(duì)于電壓門控鉀離子通道（Kv10.1），鈣調(diào)蛋白的C末端被Kv10.1亞基的環(huán)核苷酸結(jié)合同源域的2個(gè)螺旋抓住。同時(shí)，CaM的N末端與Kv10.1亞基的Per-ARNT-Sim（PAS）域中的螺旋結(jié)合。當(dāng)CaM∕Ca2+與Kv10.1結(jié)合時(shí)，致使Kv10.1離子通道的孔徑小于K+孔徑，通道封閉，因此CaM相當(dāng)于Kv10.1通道的抑制劑。小電導(dǎo)鈣激活鉀離子通道（SK2）通過其鈣調(diào)蛋白結(jié)合域與CaM結(jié)合形成復(fù)合物，CaM可作為SK2通道的激活劑，在鈣離子存在時(shí)會(huì)使通道打開。此外，由于CaM與內(nèi)向整流鉀離子通道（Kir2.1）之間沒有特異性結(jié)合，因此CaM對(duì)Kir2.1活性狀態(tài)的沒有影響。這項(xiàng)研究為遠(yuǎn)程控制活細(xì)胞中鉀通道的活性提供了一種無創(chuàng)有效的策略。

圖7 a)基于GO-PFP的混合探針用于檢測(cè)鈣調(diào)蛋白構(gòu)象變化的示意圖[68]；b)還原氧化石墨烯肽(rGO-P)通過808 nm近紅外(NIR)照射調(diào)節(jié)鉀通道的示意圖；c)全細(xì)胞膜片鉗記錄中HEK-293細(xì)胞不同通道瞬時(shí)表達(dá)的電流[69]Fig.7 a)Schematic representation of a GO-PFP-based hybrid probe for the detection of conformation changes of calmodulin[68];b)Schematic illustration of reduced graphene oxide-peptide(rGO-P)modulated potassium channels through 808 nm laser irradiation;c)The current of HEK-293 cells withtransient expression of different channels in whole-cell patch-clamp recording[69]

Tang課題組[70]開發(fā)了一種CuS-TRPV1納米光熱開關(guān)，在CuS納米顆粒表面修飾瞬時(shí)受體電位V1（TRPV1）離子通道特異性抗體，然后在近紅外激光照射下，精準(zhǔn)且時(shí)空地調(diào)控血管平滑肌細(xì)胞（VSMC）膜表面TRPV1離子通道的開關(guān)。如圖8a）所示，該體系在近紅外激光照射下產(chǎn)熱成功開啟TRPV1離子通道，介導(dǎo)VSMCCa2+內(nèi)流，并且激活下游腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）信號(hào)通路引發(fā)細(xì)胞自噬，從而有效阻止細(xì)胞中的脂質(zhì)積累和泡沫細(xì)胞形成。重要的是，納米粒子還具有血管光聲造影成像功能和良好的生物安全性，這極大地促進(jìn)了CuS-TRPV1作為動(dòng)脈粥樣硬化治療工具的應(yīng)用。Xu課題組[71]開發(fā)了一種功能化的金納米棒，通過表面修飾抗TRPV1抗體，使得納米粒子與細(xì)胞質(zhì)膜上的TRPV1離子通道特異性結(jié)合。然后用785 nm近紅外光照射后，局部溫度升高激活TRPV1通道，誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)Ca2+流入，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的增加進(jìn)而激活半胱天冬酶（Caspase）表達(dá)引起細(xì)胞凋亡（圖8b））。

圖8 a)CuS-TRPV1開關(guān)光熱激活TRPV1離子通道以減輕動(dòng)脈粥樣硬化[70]；b)金納米粒子光熱激活TRPV1離子通道增強(qiáng)細(xì)胞凋亡[71]Fig.8 a)Illustration of CuS-TRPV1 switch for photothermal activation of TRPV1 signaling to attenuate atherosclerosis[70];b)Schematic representation of activation of apoptotic pathways by NIR light assisted with pGNRab[71]

2.2 近紅外共軛聚合物納米粒子調(diào)控離子通道功能

共軛聚合物（Conjugated Polymers，CPs）是一種由許多共軛的發(fā)光單元組成的高分子材料，并且具有強(qiáng)光捕獲以及信號(hào)放大的能力，其在疾病診斷以及生物檢測(cè)等方面得到了廣泛應(yīng)用。然而大多數(shù)共軛聚合物很難溶于水，限制了其在生物醫(yī)藥中的應(yīng)用，研究者們?yōu)榱私鉀Q共軛聚合物生物相容性的問題，將共軛聚合物制備成共軛聚合物納米粒子（Conjugated Polymer Nanoparticles，CPNs）用于生物醫(yī)藥應(yīng)用[72-74]。由于CPNs的帶隙主要由前驅(qū)體CPs的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定，因此其光物理性質(zhì)對(duì)其尺寸的依賴性較小，這與金屬納米粒子不同。因此，通過分子工程，CPNs可以具有多功能的光響應(yīng)特性，以滿足不同生物光子應(yīng)用的特定要求。此外，CPNs具有高熒光量子產(chǎn)率、優(yōu)異的光穩(wěn)定性和良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，已越來越多地應(yīng)用于生物成像，光熱療法和細(xì)胞行為的調(diào)節(jié)[75-77]。因此，基于近紅外共軛聚合物納米粒子的新模式來遠(yuǎn)程控制離子通道功能在相關(guān)疾病治療中越來越重要。

Pu和Miyako課題組合作[78]開發(fā)了一種光熱半導(dǎo)體聚合物納米粒子，用于在近紅外光照射下遠(yuǎn)程控制神經(jīng)元中的熱敏離子通道TRPV1。他們首先設(shè)計(jì)并合成了光熱半導(dǎo)體聚合物（SP1，SP2）。然后通過納米共沉淀將聚合物與聚苯乙烯-聚丙烯酸（PS-PAA）制備成納米顆粒（SPN1，SPN2）。為了特異性激活神經(jīng)元的熱敏離子通道，納米顆粒通過其表面的羧基與抗TRPV1抗體的胺基之間進(jìn)行偶聯(lián)。在808 nm激光照射下，納米粒子將近紅外光轉(zhuǎn)化成熱激活在小鼠神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中表達(dá)的TRPV1通道，誘導(dǎo)Ca2+內(nèi)流（圖9a））。此外，Pu和Xing課題組合作[79]開發(fā)了半導(dǎo)體聚合物納米粒子作為溫度敏感的納米載體，針對(duì)TRPV1離子通道進(jìn)行特定的癌癥治療。將TRPV1激動(dòng)劑辣椒素（Capsaicinoids，Cap）送到腫瘤部位，以確保TRPV1激動(dòng)劑在腫瘤部位的高度集中，并以相對(duì)較低的劑量，觸發(fā)TRPV1離子通道，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載殺傷細(xì)胞（圖9b））。

圖9 a)近紅外光熱激活小鼠神經(jīng)母細(xì)胞瘤∕大鼠DRG神經(jīng)元雜交ND7∕23細(xì)胞中的TRPV1離子通道[78]；b)通過近紅外光觸發(fā)SPNs釋放辣椒素（Cap）來激活TRPV1離子通道用于癌癥治療[79]Fig.9 a)NIR photothermal activation of the TRPV1 ion channels in mouse neuroblastoma∕DRG neuron hybrid ND7∕23 cells[78];b)Activation of TRPV1 ion channel by near-infrared light-triggered SPNs to release capsaicin(Cap)for cancer therapy[79]

Kv7.4離子通道在抑郁樣行為的調(diào)節(jié)中起重要作用，可作為治療抑郁癥狀的潛在靶點(diǎn)。本課題組[80]構(gòu)建了一種近紅外響應(yīng)釋放Kv7.4鉀通道激動(dòng)劑的共軛聚合物納米粒子（NPs-F），實(shí)現(xiàn)了共軛聚合物納米粒子響應(yīng)近紅外光調(diào)控離子通道功能，降低VTA DA神經(jīng)元的放電頻率，緩解抑郁癥狀（圖10）。在近紅外光的照射下，NPs-F升溫并釋放出激動(dòng)劑激活Kv7.4鉀通道，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元上的Kv7.4鉀通道在時(shí)間和空間上的遠(yuǎn)程調(diào)控作用。另外，由于NPs-F具有優(yōu)異的光熱效應(yīng)，使其可以有效地穿越血腦屏障（Blood Brain Barrier，BBB），最終到達(dá)神經(jīng)元。將NPs-F用于VTA DA神經(jīng)元，經(jīng)過近紅外光照射后，VTA DA神經(jīng)元的放電頻率顯著降低，緩解了抑郁癥狀。這是一種具有時(shí)空可控、組織傷害小和有效穿越BBB治療抑郁癥的潛在策略。

圖10 a）在近紅光照射下通過NPs-F激活Kv7.4通道，并減少VTA中多巴胺神經(jīng)元的自發(fā)放電；b）NPs-F穿越血腦屏障；c），d）VTA DA神經(jīng)元中自發(fā)放電記錄的示意圖以及NPs-F對(duì)該過程的影響[80]Fig.10 a)the activation of Kv7.4 channels,and reduction of the spontaneous firing of dopamine neurons in the VTA by NPs-F treatment under NIR light irradiation;b)NPs-F effectively penetrate the blood-brain barrier;c),d)Schematic diagram of the recordings of spontaneous firing in VTA DA neurons and the effect of NPs-F exerted on this process[80]

3 結(jié)語(yǔ)

基于近紅外光組織穿透能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，將近紅外光刺激響應(yīng)材料作為光轉(zhuǎn)換器拓展已有的光敏蛋白，為光遺傳學(xué)在深層組織中有效調(diào)控細(xì)胞生理功能提供了可能。將近紅外光遺傳學(xué)技術(shù)和控制離子通道的激活和抑制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在時(shí)空上精準(zhǔn)操控細(xì)胞膜通道的目的，對(duì)于理解細(xì)胞離子通道的生物學(xué)意義以及揭示通道疾病的有效治療機(jī)制有重要的意義。相比于其他無機(jī)光熱材料及共軛聚合物材料，近紅外上轉(zhuǎn)化納米粒子具有將近紅外光轉(zhuǎn)換為紫外光、可見光發(fā)射的性能，因此其在調(diào)控光敏通道方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。相比于近紅外無機(jī)材料，近紅外共軛聚合物納米粒子展現(xiàn)出高量子產(chǎn)率、良好光穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)。盡管近紅外光刺激響應(yīng)材料在調(diào)控離子通道功能方面具有各自優(yōu)勢(shì)，但是依然存在著問題，如基因工程改造的光敏通道非常復(fù)雜以及上轉(zhuǎn)換納米粒子的能量傳遞過程比較復(fù)雜；另外，持續(xù)照射會(huì)產(chǎn)生熱損傷及材料靶向性差等問題。因此，這些問題將是本領(lǐng)域未來研究的方向，即進(jìn)一步設(shè)計(jì)具有靶向性和簡(jiǎn)單智能的離子通道調(diào)控體系來精準(zhǔn)調(diào)控離子通道功能，為治療通道疾病提供更加高效的策略。我們相信，這也將為治療相關(guān)疾病開辟新方向。