体外培养细胞光遗传刺激光源

体外培养细胞光遗传刺激光源

光遗传通常是指结合光学与遗传学手段，控制特定神经元活动的技术。体外培养细胞光遗传刺激系统利用分子生物学、病毒生物学等手段，将外源光敏感蛋白基因导入活细胞中，在细胞膜结构上表达了光敏感通道蛋白;然后通过特定波长光的照射，控制细胞膜结构上的光敏感通道蛋白的激活与关闭;光敏感蛋白的激活和关闭可控制细胞膜上离子通道的打开与关闭，进而改变细胞膜电压的变化，如膜的去极化与超极化。当膜电压去极化超过一定阈值时就会诱发神经元产生可传导的电信号，即神经元的激活;相反，当膜电压超极化到一定水平时，就会抑制神经元动作电位的产生，即神经元的抑制。神经元生物学家经常运用这种技术，通过光学方法无损伤或低损伤地控制特异神经元的活动，来研究该神经网络功能，特别适用于在体、甚至清醒动物行为学实验。

同时，利用类似的光学与遗传学手段，可控制脑细胞外其它细胞中的蛋白表达，从而实现光诱导蛋白质表达，启动细胞内生物学过程，进而控制生物行为。因此光遗传技术在生命活动与疾病研究中应用广泛。

光遗传学技术因其非侵入性、高度时空特异性、快速可逆和低毒副作用的优势，近年来取得了蓬勃发展，研究者们已经开发了多种光遗传学工具，实现了用紫外光、蓝光、绿光、红光、远红光、近红外光等不同波长的光来控制细胞基因转录、基因表达和基因编辑，控制细胞信号通路，控制细胞迁移和细胞器运动等。同时，光遗传学技术可应用于时空精准治疗神经系统疾病、肿瘤、心血管、糖尿病、肠道疾病等多种疾病。光遗传学技术的飞速发展开创了精准可控的基因治疗和细胞治疗领域的新纪元。

光敏蛋白作为光遗传学工具的基础元件，具有感应特定光源并对其产生响应的能力。光敏蛋白来源广泛，包括细菌、真菌、藻类、植物中的感光蛋白以及脊椎动物视网膜中的视紫红质等。目前，基于对光响应的不同原理，光遗传学工具主要可分为以下四个类型：

①基于视蛋白，响应光激活的离子通道和离子泵；

②光照引起蛋白质变构的光敏元件；

③光依赖寡聚或解聚的光敏元件；

④响应光裂解的光敏元件。

神经生物学领域中常用的三种光敏蛋白。ChR2蛋白在蓝光的刺激下可介导Ca2+、Na+等阳离子内流从而触发动作电位。NpHR蛋白可以在黄色光（580～590 nm）的刺激下介导 Cl内流，进而使得神经元超极化抑制神经元的活动。OptoXR 蛋白是将视紫红质（rhodopsin）的胞内域替换成不同G蛋白偶联受体（GPCRs）的胞内域而形成。这些改造过的optoXRs可以在绿光（500 nm）的刺激下改变自身构象来激活下游的生化级联反应。将ChR2基因导入小鼠大脑杏仁核区域里的两组神经中，通过植入光纤对其进行光学控制，发现小鼠猎杀行为神经通路。

将ChR2/NpHR基因导入小鼠背部的神经元中，通过光控该特定神经元的激活和抑制，发现小鼠瘙痒的相关神经通路。

通过AAV将ChR2基因导入到小鼠深部脑神经元中，并将UCNPs植入小鼠大脑深处。在体外使用近红外光照射时，UCNPs可以将近红外光转化成蓝光，进而激活大脑深处神经元上的ChR2蛋白，引发神经元活化。

光敏蛋白是光遗传应用的核心，已被大量运用到神经科学领域的研究中。目前应用最广泛的光敏蛋白为ChR2，其激发波长为（470±20）nm，照射的光强应大于1mW/mm2。

Chr2 光敏蛋白是一种来自绿藻的光感受器蛋白，它能够在蓝光的刺激下发生构象变化，从而激活细胞内的信号通路。Chr2 光敏蛋白被广泛应用于神经科学领域，用于研究神经元的光敏性和光遗传学调控。

Chr2 光敏蛋白的作用机制是：当蓝光照射到 Chr2 光敏蛋白时，它会发生构象变化，从非活性状态转变为活性状态。这种构象变化会导致 Chr2 光敏蛋白与下游的信号分子结合，从而激活细胞内的信号通路。通过控制蓝光的照射时间和强度，可以实现对神经元活动的调控。

Chr2 光敏蛋白的应用包括：研究神经元的光敏性、调控神经元的活动、研究神经环路的功能等。Chr2 光敏蛋白还可以与其他光敏蛋白或荧光蛋白结合，实现多通道的光遗传学调控和成像。

Chr2 光敏蛋白的使用需要严格控制光照条件和剂量，以免对细胞造成损伤。同时，Chr2 光敏蛋白的表达也需要进行适当的调控，以确保其在细胞内的表达水平和活性适度。

视蛋白和对应的led波长

析浦（上海）科学仪器有限公司能够为光遗传学提供紫外光源（UV light）、蓝光光源（blue light）、近红外光源（nir light），可以按照可以要求定制不同强度的各种波段的光源。

本文图片和部分内容来自华东师范大学发表的文献《光遗传学照进生物医学研究进展》