發(fā)布日期：2018-07-02
近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)研究院鄭海榮課題組和浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院李月舟課題組合作，在Nano Letters期刊發(fā)表了題為Ultrasonic control of neural activity through activation of mechanosensitive channel MscL的研究論文。該項研究將超聲輻射力和機(jī)械敏感性離子通道結(jié)合起來，首次在神經(jīng)元上通過超聲刺激激活機(jī)械敏感性離子通道，并進(jìn)而精確控制神經(jīng)元的興奮性。該成果開拓了超聲在腦科學(xué)研究中的新方向，為超聲遺傳學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
近年來興起的光遺傳學(xué)技術(shù)，被稱為是21世紀(jì)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域最引人注目的革新，在猴、鼠、果蠅、線蟲等模式生物中得到廣泛應(yīng)用。其主要原理是采用基因操作技術(shù)將細(xì)菌的光敏感蛋白轉(zhuǎn)入到特定類型的神經(jīng)元中進(jìn)行表達(dá)，并通過不同波長的光照刺激光敏感蛋白，從而造成細(xì)胞膜兩邊的膜電位發(fā)生變化，達(dá)到對細(xì)胞選擇性地興奮或者抑制的目的。但是在哺乳動物中，光遺傳學(xué)技術(shù)需要通過顱骨手術(shù)將特定波長的光線引入腦中，這種創(chuàng)傷性為其在活體的應(yīng)用帶來一定的局限。因此，越來越多的研究人員將目光轉(zhuǎn)向無損傷的方法，比如通過超聲，可以無損傷的穿透深入大腦或其他組織內(nèi)部，并且可以通過聚焦獲得精確定位。
由于細(xì)胞對超聲的響應(yīng)能力有限，為了達(dá)到通過超聲精確控制神經(jīng)元的目的，需要找到一種介質(zhì)既可以很好的響應(yīng)超聲刺激，又可以在神經(jīng)元表達(dá)并賦予神經(jīng)元靈敏的超聲敏感性。考慮到超聲的機(jī)械效應(yīng)，機(jī)械敏感性離子通道是一個很好的選擇。機(jī)械敏感性離子通道是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新型離子通道，有別于傳統(tǒng)的電壓敏感，以及配體門控類型的離子通道，它感受細(xì)胞形變等方式導(dǎo)致的膜張力的變化而開放，引起細(xì)胞內(nèi)外離子的跨膜運輸，參與介導(dǎo)眾多的生命活動，其功能愈來愈受到重視。浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院李月舟課題組長期以來致力機(jī)械敏感性離子通道開放機(jī)制和功能，深圳先進(jìn)研究院鄭海榮課題組掌握了獨特的超聲輻射力神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，在超聲神經(jīng)調(diào)控儀器研制方面積累了豐富的經(jīng)驗，兩者的合作促成了該項研究。
實驗中，課題組選擇了來自細(xì)菌的機(jī)械敏感性離子通道MscL。MscL具有作為納米開關(guān)的天然優(yōu)勢。它結(jié)構(gòu)簡單，只有136個氨基酸，容易在真核生物表達(dá)；它自身可以直接被膜張力所激活，并且不需要其它成分的參與；它開放形成30埃左右的巨大孔徑，通透效率高；它不和其它蛋白相互作用，不會干擾細(xì)胞的其它功能。課題組首先構(gòu)建了重組MscL基因的病毒，然后通過病毒感染在原代培養(yǎng)的大鼠神經(jīng)元中表達(dá)MscL通道。結(jié)果表明MscL可以在神經(jīng)元上功能性表達(dá)，并對機(jī)械刺激保持敏感（圖2）。
在基金委重大科研儀器支持下，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)院鄭海榮課題組設(shè)計開發(fā)了一系列跨尺度超聲神經(jīng)調(diào)控工具（圖3）。超聲輻射力神經(jīng)刺激芯設(shè)計基于不同主頻叉指換能器指條寬度，形狀，對數(shù)和聲孔徑尺寸，通過標(biāo)準(zhǔn)微納加工技術(shù)光刻，濺射叉指換能器電極，制備微型聲場可調(diào)超聲神經(jīng)刺激芯片，產(chǎn)生高強(qiáng)度局域聲場及超聲輻射力可有效作用于神經(jīng)元細(xì)胞。該芯片可與鈣成像、膜片鉗等生物學(xué)手段相兼容，實時監(jiān)測超聲誘發(fā)的生物效應(yīng)，為超聲神經(jīng)調(diào)控治療神經(jīng)類疾病提供基礎(chǔ)和理論依據(jù)。同時研制的動物超聲神經(jīng)刺激系統(tǒng)可對深部腦核團(tuán)和神經(jīng)環(huán)路開展無創(chuàng)、動態(tài)和網(wǎng)絡(luò)式的神經(jīng)刺激與調(diào)控。該技術(shù)和工具的研制可在腦疾病的研究、神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)研究及其相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)廣泛應(yīng)用。該研究結(jié)果為后續(xù)的活體超聲遺傳學(xué)奠定了基礎(chǔ)，并有望通過進(jìn)一步開發(fā)的多面陣、多焦點的深部腦刺激超聲調(diào)控儀器解析神經(jīng)環(huán)路，并對帕金森癥、抑郁癥等腦疾病提供新的研究，甚至是治療的有效新工具。
浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院的博士生葉佳、唐思陽，以及深圳先進(jìn)院的孟龍副研究員是本文的第一作者，鄭海榮和李月舟是本文的通訊作者。參與該工作的還有浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院的段樹民院士、胡海嵐教授、李相堯教授，浙江大學(xué)附屬兒童醫(yī)院舒強(qiáng)院長、江米足教授、尚世強(qiáng)教授，深圳先進(jìn)研究院的牛麗麗副研究員、邱維寶研究員。該研究得到國家自然科學(xué)基金（81527901，11534013，31270878）、科技部973計劃（2014CB910302）等項目的資助。
論文鏈接
圖1: 超聲刺激引起表達(dá)于神經(jīng)元的機(jī)械敏感性離子通道MscL（圖中黃色所示）的開放，導(dǎo)致離子跨膜運輸（圖中綠色箭頭所示），改變神經(jīng)元膜電位，誘發(fā)神經(jīng)沖動（圖中紅色所示動作電位）
圖2：通過病毒感染技術(shù)在原代培養(yǎng)的神經(jīng)元上表達(dá)的機(jī)械敏感性離子通道MscL具有完整的功能，可用很好的響應(yīng)機(jī)械刺激
圖3：（a）超聲神經(jīng)刺激芯片以及（b）小動物超聲刺激系統(tǒng)
來源：深圳先進(jìn)技術(shù)研究院
