“光遺傳學”的生物學技術使用光來控制已被基因改造成對光敏感的生物組織中的細胞。但是，由于光可以一次激活多個基因，因此對此類過程的控制有限，通常需要深入穿透的光才能到達生物組織中的基因。

現在，美國國立大學的研究人員已經開發出一種方法，可以通過使用專門設計的納米顆粒和納米團簇(稱為“超級球”)來更好地控制這一過程。當由不同波長的激光激發時，這些納米粒子和超級球會發出不同顏色的光。這些不同顏色的光可用于觸發特定的生物過程。

為了激活光敏基因，由國大生物醫學工程學院張勇教授領導的研究小組使用納米粒子和超級球將近紅外(NIR)光“上轉換”為更高的可見光能量。由于近紅外光可以穿透，因此該方法可用于許多深層組織治療。

納米粒子可控制心率

張教授和他的團隊發明了新的納米粒子，它們根據用于激發它們的近紅外輻射的波長發出紅色或綠色的光。納米粒子在被波長為980納米的激光束激發時發出紅色光，而當激光束的波長減小至808納米時則發出綠色光。

除了是兩種不同的顏色外，從這些納米粒子發出的光還可用于雙向激活。這與當前使用納米粒子的光遺傳療法不同，后者只能以單向方式激活。張教授解釋說：“因此，我們可以以不同的方向或以編程方式錯綜復雜地操縱生物過程或過程中的某些步驟。”

研究人員表明，可以使用這些顆粒來控制修飾的心肌細胞的跳動速率。通過在同一單元格中光學控制兩個稱為Jaws和VChR1的光激活通道，它們能夠改變心跳的速度。紅燈減慢心率，綠燈加快心率。

這些納米顆粒由富含的內核組成，內核被和摻釹材料層包圍。“為了產生這種正交熒光發射，我們通常需要將多個鑭系元素離子摻雜到納米晶體中。在我們的研究中，這僅通過使用一個離子即可實現。” 研究人員的這項創新確保了正交發射都來自離子。

關于這一重大突破和應用創新，張教授說：“本次演示為朝著可編程多方向途徑控制邁出了重要一步，并且為在許多其他協同相互作用的生物過程(如診斷和治療)中的應用提供了有趣的機會。 ”

這項研究的結果發表在2019年9月27日的《自然通訊》上，并于2019年10月4日作為研究要點進行了報道。

超級球激活抗癌藥

除了新穎的納米粒子，張教授及其團隊最近還合成了兩種不同納米粒子的簇，他們將它們稱為“超級球”。以與新型納米粒子相似的方式，當用不同波長的近紅外輻射激發時，這些超級球會發出不同顏色的光。當被波長為980納米的激光束激發時，它們會發出紅光，而當波長減小到808納米時，它們會發出UV /藍光。

然后將這些新穎的超級球用于增強光動力性癌癥治療程序。

當超級球受到強烈激發而發出紅光時，它們便能夠進入細胞。接下來，他們興奮地發出紫外線/藍光，以增加細胞對活性氧的敏感性。最后，他們興奮地再次發出紅光以激活光敏藥物以產生活性氧。這些活性氧然后可以誘導殺死腫瘤細胞。

隨著這項研究的突破，國大的科學家們開發了一種簡單，用戶友好的方法來合成這些超級球。超級球的形狀，大小，甚至激發/發射波長都可以根據所需應用進行修改。

這項研究的結果于2019年10月8日發表在《自然通訊》上。

下一步

這些納米顆粒和超級球的應用很多。張教授說：“這將吸引不同領域的生物學家和臨床醫生，特別是從事光療工作的生物學家和臨床醫生，包括光動力療法，光熱療法，光控藥物/基因傳遞和光遺傳學。”

對于接下來的研究階段，張教授解釋說：“最終，該項目的目標是將無線電子技術與納米粒子一起用于增強的光動力療法，從而可以治療深部組織的大型腫瘤。” 因此，研究人員將繼續開發新穎的材料并在這一領域發明創新的應用。