通讯作者：aranidharan Raman,Srikanth Singamaneni通讯单位：华盛顿大学材料科学与工程学院机械工程与材料科学系；华盛顿大学生物医学工程系光遗传学已成为了解建立神经活动与整体行为之间关系的主要工具。虽然光遗传学技术很有前途，但仍然存在一些有待解决的局限性：i）激发嵌入组织深处的神经元的能力；ii）在具有或不具有丰富遗传工具库的不同模式生物中广泛使用的能力；iii）神经元的分级控制；iv）以并发方式控制不同神经元子集的能力；v）所提出的将受控神经元恢复到其原始配置的方法的可逆性；vi）开发非侵入性方法的可行性。近年来成功地探索和测试了纳米材料用于非遗传电和热刺激的用途。其中，光热方法在刺激神经元细胞方面显示出巨大的前景和多功能性。如金纳米棒（Au NRs）作为局部光热传感器已被用于使用近红外（NIR）光在体外调节（抑制/刺激）神经活动。各种可以将光能转化为热能的纳米材料中，聚多巴胺（PDA）纳米颗粒由于其优异的光热性能、生物相容性、生物降解性和容易的表面功能化，是一种特别有前途的神经元调节材料。
图1.（A）PDA纳米颗粒介导的神经元光热刺激示意图。位于神经元上的 PDA 纳米粒子（PDA NPs）通过NIR光的光热转换来调节神经活动；PDA NPs的（B）SEM图像，（C）DLS测量和（D）吸收光谱；（E）在14 mW mm-2激光功率密度下，不同浓度的PDA NP溶液的温度变化；（F）100 µg mL-1 PDA NP溶液在不同激光功率密度下的温度变化和（G）激光照射结束时PDA NP溶液的相应红外相机图像。
基于此，华盛顿大学材料科学与工程学院机械工程与材料科学系Srikanth Singamaneni教授和华盛顿大学生物医学工程系aranidharan Raman教授合作使用生物相容性和可生物降解的PDA纳米粒子和一种新型的高度多孔生物泡沫作为光热剂，以非破坏性的方式用NIR光刺激可兴奋细胞，如神经元和心肌细胞。这种新型纳米材料方法用于在808 nm激光照射下定位可激发细胞周围的温度。对神经元活动的变化进行监测和量化，以了解不同光热加热条件的影响。测量在微电极阵列（MEA）上培养的神经元和心肌细胞的电活动，以评估PDA纳米颗粒和基于PDA的泡沫调节细胞兴奋性的能力。进行了一系列定量分析以解释在PDA纳米颗粒存在下激光强度对神经元和心肌细胞活动的模块化和可逆控制的影响。相关工作以“Reversible Photothermal Modulation of Electrical Activity of Excitable Cells using Polydopamine Nanoparticles”为题发表在Advanced Materials上。
图2.（A）β-微管蛋白（III）（品红色）和细胞核（蓝色）免疫化学染色后培养的海马神经元的荧光图像；（B）在MEA上培养的神经元的实验装置示意图，用NIR激光刺激，有和没有PDA NP处理；（C）在PEI-层粘连蛋白包被的MEA上培养的海马神经元的相差图像，细胞密度为1000个细胞 mm-2；（D）在没有PDA NP（对照）和PDA NP（100 µg mL-1最终浓度）的情况下，神经元经受1、2和5分钟的NIR照射（14 mW mm-2）的细胞活力。与对照样品（无PDA NP）相比，NIR激光在PDA NP存在下产生的热量没有改变神经元的活力，表明使用PDA NP对神经元进行光热治疗是安全的；（E）半小时时间间隔内海马神经元的叠加波形。神经元没有用PDA NP处理，也没有受到任何外部刺激。3分钟记录的尖峰，每组256个尖峰（平均尖峰率没有变化）。黑色曲线显示了每组的平均值，灰色曲线说明了各个尖峰波形；（F）PDA NP在神经元膜上的定位对没有NIR刺激的培养神经元的平均尖峰率的影响。Hamed Gholami Derami, Prashant Gupta, Kuo-Chan Weng, Anushree Seth, Rohit Gupta, Jonathan R. Silva, Baranidharan Raman, Srikanth Singamaneni, Reversible Photothermal Modulation of Electrical Activity of Excitable Cells using Polydopamine Nanoparticles, Adv. Mater. 2021, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008809.
