醫(yī)療黑科技：治病不用藥，有光就夠了！

大家好~我是張博，吉?jiǎng)P新產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)的搬磚新人！作為新產(chǎn)品的技術(shù)支持，除了說(shuō)學(xué)逗唱，最重要的就是緊跟時(shí)代潮流，學(xué)習(xí)各種新知識(shí)！上至世界和平，下到小道八卦，都要了解~

奇葩年年有，今年特別多。比如最近炙手可熱的美帝網(wǎng)紅特朗普，完美的詮釋了：不想當(dāng)總統(tǒng)的地產(chǎn)商不是好段子手……對(duì)于他的奇談怪論大家已經(jīng)見(jiàn)怪不怪，但最近演講中的言論還是讓小伙伴驚呆了：“我愛(ài)沒(méi)文化的人” 、“為了削弱美國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)性，中國(guó)人為自己創(chuàng)造出了全球變暖的觀念。”……這樣的言論真是讓人恨不得扒開(kāi)他的腦子看看~

而對(duì)于真正研究大腦的人來(lái)說(shuō)，這個(gè)世界有太多比美國(guó)商人的搞笑行為更需要關(guān)注的事情，比如說(shuō)為什么有的人會(huì)幻聽(tīng)？為什么智商甩普通人幾條街的科學(xué)大家也會(huì)患上阿爾茲海默癥？又是哪個(gè)神經(jīng)元發(fā)出了讓老板發(fā)工資這個(gè)動(dòng)作信號(hào)的？……研究大腦神經(jīng)絕對(duì)是這世界上最有趣而且復(fù)雜的工作之一。

傳統(tǒng)意義上的神經(jīng)活動(dòng)調(diào)控主要是通過(guò)電刺激或者神經(jīng)藥理學(xué)方法實(shí)現(xiàn)的。電刺激方法通過(guò)向細(xì)胞內(nèi)注入電流或者在細(xì)胞外給予場(chǎng)電勢(shì)來(lái)激活神經(jīng)的活動(dòng)，聽(tīng)起來(lái)這個(gè)方法的時(shí)間可控性非常好，但是很難實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)細(xì)胞或者多個(gè)部位同時(shí)刺激，而且細(xì)胞外場(chǎng)電勢(shì)刺激方法的細(xì)胞特異性和空間精度很低……加藥的方法就更糟糕了，由于藥物的擴(kuò)散性和加藥方式的影響，在時(shí)間、空間和細(xì)胞特異性上都很難控制。最最最重要的是！過(guò)電或者加藥這種事情對(duì)于被刺激的細(xì)胞會(huì)造成不可逆的損傷，控制不好的話輕則癡傻，重則大小便失禁，晚期那就是植物鼠！

辛辛苦苦好幾年，一夜回到解放前……

那么有什么好方法是可以避免外源性的異物損傷呢？科學(xué)家們苦苦探索多年，直到2005年的一天，一位年輕的美國(guó)小伙子Karl Deisseroth，一拍腦袋（也可能是被蘋(píng)果砸了），想到，如果能讓大腦的神經(jīng)元感光不就好咯？于是他將光敏感的蛋白安裝到大腦的神經(jīng)元，給大腦中的神經(jīng)元裝上了眼睛，大腦中的神經(jīng)元就看到了更加美麗多彩的世界，腦科學(xué)家們也進(jìn)入了另外一個(gè)研究的新時(shí)代。這項(xiàng)技術(shù)就是光控基因技術(shù)，即光遺傳~

Deisseroth, D., 2011. Optogenetics. Nature Methods, 8(1): 26-29.

（另?yè)?jù)小道消息，這位少年現(xiàn)在正計(jì)劃把人類大腦變成透明的以方便研究，讓我們一起期待這項(xiàng)黑科技吧，啦啦啦……）

光遺傳技術(shù)的基本原理即找到合適的光敏蛋白，將翻譯感光元件蛋白的DNA通過(guò)轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)染或者轉(zhuǎn)基因的方法整合到靶標(biāo)細(xì)胞基因組中，使靶標(biāo)細(xì)胞能夠響應(yīng)指定的光源。舉個(gè)栗子，

當(dāng)與藍(lán)光光敏蛋白ChR2共價(jià)結(jié)合的all-trans-retinal吸收了光子，促使ChR2分子構(gòu)象發(fā)生變化，蛋白中間出現(xiàn)陽(yáng)離子通道，Na離子和Ca離子的內(nèi)流就可使細(xì)胞內(nèi)電位上升，細(xì)胞去極化興奮。

如果表達(dá)ChR2的是神經(jīng)細(xì)胞，膜電位去極化可激活在軸突末端的電壓門(mén)控鈣通道，軸突末端的鈣內(nèi)流可促使神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生動(dòng)作電位，釋放神經(jīng)遞質(zhì)囊泡。通過(guò)光線刺激不同的細(xì)胞，即可刺激不同細(xì)胞產(chǎn)生響應(yīng)，獲得不同組織部分對(duì)于行為的作用，進(jìn)而控制小鼠的行為。很神奇有沒(méi)有，不用打針吃藥，也不管小鼠是做夢(mèng)還是活動(dòng)，只要一點(diǎn)點(diǎn)光源刺激，即可讓它聽(tīng)指揮！

下面請(qǐng)欣賞，啞劇，光控小鼠斗手套！

Nature Methods雜志在十周年之際推出了紀(jì)念特刊，點(diǎn)評(píng)了在過(guò)去十年中對(duì)生物學(xué)研究影響最深的十大技術(shù)，其中就包括光遺傳學(xué)技術(shù)。應(yīng)用這個(gè)方法，針對(duì)動(dòng)物行為學(xué)的研究可謂是突飛猛進(jìn)。

圖為2005年光遺傳學(xué)第一次出現(xiàn)開(kāi)始至今相關(guān)的論文數(shù)量(來(lái)自Nature Neuroscience，2015，DOI: 18:1213-1225)

可見(jiàn)關(guān)于光遺傳的論文近年成為各大主流雜志的新寵，其中不乏CNS這種級(jí)別的，例如這篇新鮮熱乎的Nature Method：

Yu, X., et al., 2016. Sensory and Optogenetically Driven Single-vessel fMRI. Nature Methods, DOI: 10.1038/nmeth.3765.

看到這里，各位老師是不是已經(jīng)摩拳擦掌躍躍欲試了呢？

那么問(wèn)題來(lái)了，模式動(dòng)物和光源都容易搞定，如何讓細(xì)胞安全、穩(wěn)定地表達(dá)光敏感蛋白呢？

莫慌，抱緊我~專門(mén)為光遺傳設(shè)計(jì)的腺相關(guān)病毒（AAV）幫到您！

ChR2：響應(yīng)藍(lán)光的陽(yáng)離子通道,引起細(xì)胞膜的去極化并產(chǎn)生動(dòng)作電位。

NpHR：黃綠光驅(qū)動(dòng)的氯離子通道，用于引起神經(jīng)元超極化抑制神經(jīng)電傳導(dǎo)。

不過(guò)，感染細(xì)胞的病毒辣么多，我們?yōu)槭裁匆�選AAV呢？

首先，AAV目前唯一一個(gè)NIH評(píng)級(jí)為RG1的病毒載體，迄今從未發(fā)現(xiàn)野生型AAV致�。恢亟MAAV去除了野生型AAV基因組的96%，進(jìn)一步保證了安全性；由于AAV不插入基因組，因而沒(méi)有致癌性；其本身的免疫原性又基本不會(huì)引起免疫排斥，相對(duì)其他病毒優(yōu)勢(shì)非常明顯。

其次，AAV不僅可感染分裂細(xì)胞，而且可感染靜止期細(xì)胞，簡(jiǎn)直是高度分化，基本無(wú)再生分裂能力的神經(jīng)元細(xì)胞唯一指定病毒！

同時(shí)，重組AAV(rAAV)有最少半年的表達(dá)時(shí)間，可長(zhǎng)期穩(wěn)定地表達(dá)外源基因，保證了對(duì)于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物行為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需求；

最重要的一點(diǎn)，AAV有相當(dāng)強(qiáng)的靶向性，目前根據(jù)衣殼的差異，AAV可分為12種血清型(AAV-1~AAV-12)和100多種變異體，可以有針對(duì)性的轉(zhuǎn)染神經(jīng)系統(tǒng)，肺，視網(wǎng)膜，肌肉，心臟等。

例如剛剛提到的那篇Nature Methods文章也是用了AAV5血清型呢！

用AAV使細(xì)胞表達(dá)光敏蛋白，有了如此利器，科研從此so easy，相信用不了多久，您就會(huì)升職加薪，當(dāng)上總經(jīng)理，出任CEO，迎娶白富美，走向人生巔峰，想想有沒(méi)有點(diǎn)小激動(dòng)？

當(dāng)然，作為如此高深的一門(mén)學(xué)問(wèn)，光遺傳可不止有這一種應(yīng)用，他還可以應(yīng)用于其他的很多方面，比如修改記憶，研究阿爾茲海默癥，治療失明等等，不過(guò)下次再說(shuō)吧~我忽然想起來(lái)我要去找黃博一起研究一下如何找機(jī)會(huì)改造陳博那個(gè)大尾巴狼的大腦了，摘見(jiàn)~