纽约大学《AFM》3D 光遗传学的光子上转换水凝胶

【科研摘要】

可见光穿透触发光化学过程的物理限制使在 3D 中光学诱导生物反应的能力相形见绌。然而，许多生物系统对低能量光相对透明，不能提供足够的能量来诱导 3D 光化学。为了克服这一挑战，纽约大学Luis M. Campos教授团队开发了能够在充满细胞的 3D 支架内将红光或近红外 (NIR) 光转换为蓝光的水凝胶。然后上转换的光可以激发细胞中的光学活性蛋白质以触发光化学反应。

水凝胶通过三重态-三重态湮灭上转换操作。作为原理证明，发现水凝胶通过对已被设计为表达蓝光敏感蛋白 Cry2olig 的 HeLa 细胞进行红色/近红外照射来触发光遗传学反应。虽然在 3D 中用 NIR 照射光诱导 Cry2olig 的聚类是非常了不起的，但也证明了水凝胶如何以极大的特异性和时空控制在单个细胞内触发聚类。原则上，这些水凝胶可以对 3D 支架内的细胞功能进行光化学控制，这可以导致大量的基础研究和生化应用。相关论文以题为Photon Upconversion Hydrogels for 3D Optogenetics发表在《Advanced Functional Materials》上。

【主图导读】

图1 A) 通过 NIR 光穿透和局部蓝光发射来表示水凝胶生物材料中上转换光遗传学的概念。B) 组成上转换微米级液滴的成分：表面活性剂、还原油（大豆油）、敏化剂和歼灭剂。C) 在没有和有 NIR 照射的情况下微孔中的水凝胶的照片，其中被照射的凝胶发出蓝光。D) PtTPTNP 敏化剂（红色）的归一化吸收光谱和 TIPS-An 歼灭剂（蓝色）的发射光谱。

图2 具有 TTA-UC 乳液和相对生物相容性的充气条件下的光子上转换。

图3 2D中上转换介导的动态光遗传学响应。

图4 载有细胞的 TTA-UC 水凝胶的表征。

图5 从 HeLa 细胞到单细胞激活的光遗传学反应。

【总结】

团队开发了一类能够吸收红光/近红外光的 3D 生物材料，通过 TTA-UC 将其上转换为蓝光。发现这些光子上转换水凝胶生物材料在由 TTA-UC 启用的载有细胞的水凝胶中以光化学方式诱导光遗传学反应。有了这些系统，现在可以在 3D 生物材料中对细胞进行光刺激，克服蓝光直接照射所带来的基本限制。使上转换发色团在环境条件下发挥作用一直是将这些系统与活生物体连接起来的障碍，因为大多数系统仅限于脱氧有机溶剂。然而，能够通过将上转换发色团加入含有大豆油的乳液中来克服这一挑战，大豆油是一种还原溶剂，可消耗 TTA-UC 产生的任何单线态氧，从而在不影响生物相容性和细胞毒性的情况下提高光稳定性。此外，乳液的相当大的微滴防止从水凝胶浸出到环境中。总体而言，3D TTA-UC 生物材料的优化组成导致了 3D 生物材料中光遗传 HeLa 细胞的光化学激活。此外，能够观察到载有细胞的水凝胶内单个细胞的主要光遗传学反应，使用扫描激光进行时空控制。3D 生物材料的成功开发尤其重要，因为该方法引入了一种新方法，可以使用低能光以前所未有的精度启动光遗传工程细胞的光化学过程。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.202010907

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