近日,，我校材料與化學(xué)化工學(xué)院劉俊秋教授團(tuán)隊(duì)和生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院沈萬(wàn)華教授團(tuán)隊(duì)攜手合作，在非遺傳性的神經(jīng)光調(diào)控研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展,，相關(guān)研究成果以題為Photocatalytic manipulation of Ca2+ signaling for regulating cellular and animal behaviors via MOF-enabled H2O2 generation發(fā)表于Science子刊Science Advances（IF = 13.6）,。 該工作利用光催化MOFs產(chǎn)H2O2來(lái)可控激活神經(jīng)Ca2+信號(hào)，實(shí)現(xiàn)非遺傳性地光調(diào)控動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)行為,。

作為細(xì)胞內(nèi)的第二信使,，H2O2具有毒性低、半衰期長(zhǎng)和擴(kuò)散距離遠(yuǎn)等特性,，能通過(guò)氧化細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上肌醇三磷酸受體（IP3Rs）的巰基來(lái)打開(kāi)該離子通道,，從而釋放內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的Ca2+。目前已開(kāi)發(fā)的H2O2遞送系統(tǒng)無(wú)論是直接遞送,，還是通過(guò)葡萄糖過(guò)氧化物酶或金屬過(guò)氧化物原位產(chǎn)生H2O2都存在提前泄露或持續(xù)釋放的缺陷,，并不適合神經(jīng)的可控激活,。利用遠(yuǎn)程無(wú)線調(diào)控的手段,，研制具有開(kāi)關(guān)響應(yīng)特性的“H2O2發(fā)生器”不僅能避免H2O2過(guò)量釋放帶來(lái)的細(xì)胞損傷，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)細(xì)胞Ca2+信號(hào)的精準(zhǔn)激活,。然而,，“H2O2發(fā)生器”相關(guān)的概念目前罕有報(bào)道。

DCSA-MOFs的制備,、細(xì)胞Ca²⁺信號(hào)調(diào)控,、動(dòng)物神經(jīng)激活和運(yùn)動(dòng)行為調(diào)控

針對(duì)該研究現(xiàn)狀，劉俊秋教授團(tuán)隊(duì)和沈萬(wàn)華教授團(tuán)隊(duì)合作并首次開(kāi)發(fā)了基于小分子光催化劑的金屬有機(jī)框架（DCSA-MOFs）,，通過(guò)激光高時(shí)空分辨地照射在細(xì)胞內(nèi)的局部區(qū)域,，能在細(xì)胞、組織和離體器官三個(gè)層面精準(zhǔn)調(diào)控Ca2+信號(hào),，最終控制動(dòng)物的行為,。DCSA-MOFs無(wú)需有毒的有機(jī)犧牲試劑，僅以生物體系中充足的氧氣和水為底物,，在光照條件下高效產(chǎn)生H2O2,；在激活I(lǐng)P3Rs后使Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中快速流出，從而激活細(xì)胞Ca2+信號(hào),。這種調(diào)控方式具有精度性高（亞細(xì)胞器水平）,，可重復(fù)激活和開(kāi)關(guān)可控性。該研究提供了一種非遺傳性的光學(xué)調(diào)控技術(shù),，優(yōu)勢(shì)明顯,。IP3Rs在多種細(xì)胞中廣泛表達(dá)，極大地?cái)U(kuò)展了應(yīng)用范圍,；H2O2能安全高效地刺激IP3Rs,，并在刺激結(jié)束后快速擴(kuò)散到溶液中,，降低對(duì)細(xì)胞造成的損傷；光催化反應(yīng)只消耗H2O和O2,，避免了負(fù)載劑的消耗和H2O2的泄漏,；只在光照條件下進(jìn)行，具有開(kāi)關(guān)方式成功地激活了至少10種細(xì)胞系,，避免使用遺傳工程手段,，因此具有很高的通用性。受激細(xì)胞還能通過(guò)分泌ATP分子或通過(guò)間隙連接擴(kuò)散的方式在細(xì)胞間快速傳播Ca2+波,，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞通訊,。

DCSA-MOFs在細(xì)胞內(nèi)的分布、光催化提升細(xì)胞ROS水平和Ca²⁺信號(hào)激活

在此基礎(chǔ)上,，研究人員使用DCSA-MOFs成功使致盲的白化非洲爪蛙蝌蚪恢復(fù)對(duì)光照的感知,。在腦室注射DCSA-MOFs后，通過(guò)光催化產(chǎn)生H2O2成功激活了視頂蓋神經(jīng)元,，模擬了視覺(jué)信號(hào)的輸入,。視頂蓋神經(jīng)元將信號(hào)投射到后腦和網(wǎng)狀脊髓神經(jīng)元，并進(jìn)一步激活脊髓中的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元和中樞模式發(fā)生器來(lái)控制蝌蚪的尾部運(yùn)動(dòng),。將蝌蚪的頭包埋在低熔點(diǎn)的瓊脂糖后用405 nm激光照射,，可以觀測(cè)到蝌蚪尾巴開(kāi)始搖擺。通過(guò)測(cè)量反應(yīng)延遲期,、搖擺頻率和持續(xù)時(shí)間參數(shù)來(lái)評(píng)估蝌蚪的光照回避行為,。當(dāng)去掉雙眼和嗅球時(shí)，平均延遲期約為14.9 s,，明顯長(zhǎng)于對(duì)照蝌蚪（約2.7 s）和沒(méi)有眼睛的蝌蚪（約3.4 s）,。令人興奮的是，在沒(méi)有眼睛和嗅球的蝌蚪中,，DCSA-MOFs顯著地將反應(yīng)延遲時(shí)間降低到正常水平（約3.3 s）,。因此，研究人員成功地利用激光照射來(lái)控制蝌蚪的視覺(jué)回避行為,。

 DCSA-MOFs激活致盲的白化非洲爪蛙蝌蚪中的視頂蓋神經(jīng)元,，調(diào)控尾部運(yùn)動(dòng)

在該論文成果中，我校與中南大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生張哲瑞,、生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院生物學(xué)2022級(jí)博士研究生駱瑜豪為共同第一作者,。我校材化學(xué)院劉俊秋教授、祝鼎成副教授和生科院沈萬(wàn)華教授為論文的共同通訊作者,。杭州師范大學(xué)為第一完成單位,。該論文成果接受國(guó)家自然科學(xué)基金，科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、杭州市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目資金資助,。