醫(yī)療黑科技：治病不用藥，有光就夠了！

大家好~我是張博，吉凱新產(chǎn)品團隊的搬磚新人！作為新產(chǎn)品的技術(shù)支持，除了說學逗唱，最重要的就是緊跟時代潮流，學習各種新知識！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：不想當總統(tǒng)的地產(chǎn)商不是好段子手……對于他的奇談怪論大家已經(jīng)見怪不怪，但最近演講中的言論還是讓小伙伴驚呆了：“我愛沒文化的人” 、“為了削弱美國制造業(yè)的競爭性，中國人為自己創(chuàng)造出了全球變暖的觀念�！薄�…這樣的言論真是讓人恨不得扒開他的腦子看看~

而對于真正研究大腦的人來說，這個世界有太多比美國商人的搞笑行為更需要關(guān)注的事情，比如說為什么有的人會幻聽？為什么智商甩普通人幾條街的科學大家也會患上阿爾茲海默癥？又是哪個神經(jīng)元發(fā)出了讓老板發(fā)工資這個動作信號的？……研究大腦神經(jīng)絕對是這世界上最有趣而且復雜的工作之一。

傳統(tǒng)意義上的神經(jīng)活動調(diào)控主要是通過電刺激或者神經(jīng)藥理學方法實現(xiàn)的。電刺激方法通過向細胞內(nèi)注入電流或者在細胞外給予場電勢來激活神經(jīng)的活動，聽起來這個方法的時間可控性非常好，但是很難實現(xiàn)對個細胞或者多個部位同時刺激，而且細胞外場電勢刺激方法的細胞特異性和空間精度很低……加藥的方法就更糟糕了，由于藥物的擴散性和加藥方式的影響，在時間、空間和細胞特異性上都很難控制。最最最重要的是！過電或者加藥這種事情對于被刺激的細胞會造成不可逆的損傷，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？科學家們苦苦探索多年，直到2005年的一天，一位年輕的美國小伙子Karl Deisseroth，一拍腦袋（也可能是被蘋果砸了），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，腦科學家們也進入了另外一個研究的新時代。這項技術(shù)就是光控基因技術(shù)，即光遺傳~

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

（另據(jù)小道消息，這位少年現(xiàn)在正計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通過轉(zhuǎn)導、轉(zhuǎn)染或者轉(zhuǎn)基因的方法整合到靶標細胞基因組中，使靶標細胞能夠響應指定的光源。舉個栗子，

當與藍光光敏蛋白ChR2共價結(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)陽離子通道，Na離子和Ca離子的內(nèi)流就可使細胞內(nèi)電位上升，細胞去極化興奮。

如果表達ChR2的是神經(jīng)細胞，膜電位去極化可激活在軸突末端的電壓門控鈣通道，軸突末端的鈣內(nèi)流可促使神經(jīng)細胞產(chǎn)生動作電位，釋放神經(jīng)遞質(zhì)囊泡。通過光線刺激不同的細胞，即可刺激不同細胞產(chǎn)生響應，獲得不同組織部分對于行為的作用，進而控制小鼠的行為。很神奇有沒有，不用打針吃藥，也不管小鼠是做夢還是活動，只要一點點光源刺激，即可讓它聽指揮！

下面請欣賞，啞劇，光控小鼠斗手套！

Nature Methods雜志在十周年之際推出了紀念特刊，點評了在過去十年中對生物學研究影響最深的十大技術(shù)，其中就包括光遺傳學技術(shù)。應用這個方法，針對動物行為學的研究可謂是突飛猛進。

圖為2005年光遺傳學第一次出現(xiàn)開始至今相關(guān)的論文數(shù)量(來自Nature Neuroscience，2015，DOI: 18:1213-1225)

可見關(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？

那么問題來了，模式動物和光源都容易搞定，如何讓細胞安全、穩(wěn)定地表達光敏感蛋白呢？

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

ChR2：響應藍光的陽離子通道,引起細胞膜的去極化并產(chǎn)生動作電位。

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

不過，感染細胞的病毒辣么多，我們?yōu)槭裁匆�選AAV呢？

首先，AAV目前唯一一個NIH評級為RG1的病毒載體，迄今從未發(fā)現(xiàn)野生型AAV致病；重組AAV去除了野生型AAV基因組的96%，進一步保證了安全性；由于AAV不插入基因組，因而沒有致癌性；其本身的免疫原性又基本不會引起免疫排斥，相對其他病毒優(yōu)勢非常明顯。

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

同時，重組AAV(rAAV)有最少半年的表達時間，可長期穩(wěn)定地表達外源基因，保證了對于實驗動物行為長期監(jiān)測的需求；

最重要的一點，AAV有相當強的靶向性，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使細胞表達光敏蛋白，有了如此利器，科研從此so easy，相信用不了多久，您就會升職加薪，當上總經(jīng)理，出任CEO，迎娶白富美，走向人生巔峰，想想有沒有點小激動？

當然，作為如此高深的一門學問，光遺傳可不止有這一種應用，他還可以應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，不過下次再說吧~我忽然想起來我要去找黃博一起研究一下如何找機會改造陳博那個大尾巴狼的大腦了，摘見~