一種用于神經調控的光電轉換納米粒子及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發明屬于納米生物醫學研究領域，涉及一種用于神經調控的光電轉換納米粒子及其制備方法和應用，即利用半導體T12在適當波長光照下產生電子空穴對，與T12連接的金納米粒子作為光生電子受體，使T12產生的電子流動到金納米粒子，與神經細胞表面的正電荷相互作用，使神經細胞去極化而達到神經調控的目的，可用于神經細胞功能的研究、神經疾病的治療等方面。
【背景技術】
[0002]大腦是生命體內結構與功能最復雜的器官，多數腦部疾病的發病原因依然不為人們所知。確定與神經疾病相關的細胞群對疾病的治療具有重大意義，而對單個神經細胞進行精準調控是精確解析腦神經細胞功能、確定發病原因的前提。因此，調控腦神經細胞活動的無損、精準遠程控制技術，對神經細胞活動的研究和相關神經疾病的治療具有極其重要的作用。在已有的神經調控技術中，光刺激是一種可遠程調控細胞活動的方式，并且避免了電極刺激的侵入性和低特異性等缺點。例如，有文獻報道可通過紅外光產熱對神經細胞進行刺激。光遺傳學是一種光學神經調控的成熟技術，它將遺傳工程與光學相結合，用于控制特定神經細胞的活動，為確定它們在調控腦部功能中的角色提供證據。然而，必需且繁雜的靶細胞基因修飾過程限制了光遺傳學的廣泛應用。
[0003]生命體的各種感覺和運動功能都是與之對應的神經細胞接收刺激后產生動作電位的結果。當傳導過程受阻或失調的神經細胞產生異常神經興奮時，便會發生運動障礙疾病。研究表明，刺激與疾病相關的腦部神經區域可以緩解癥狀。目前，主要的神經刺激方式是電極的深層腦部刺激，這種治療技術已經在臨床上用于治療活動障礙神經疾病，例如帕金斯綜合癥。然而，電極的長期植入會對組織造成不可逆的損傷。
[0004]新興的納米機器人技術是制備零部件在納米級別的機械或機器人，靈活的設計可賦予納米機器人多樣化的功能，在生物醫學中有廣泛應用。一些課題組已經嘗試利用納米機器人進行神經調控，例如，利用碳納米角和金納米粒子的光熱效應進行神經細胞的刺激。最近，有科學家利用磁熱Fe3O4納米粒子進行深層腦部神經刺激。然而，這種利用熱刺激的技術僅對熱敏感的細胞(即表達有瞬態電壓感受器陽離子通道(TRPVl)的細胞)起作用，極大地限制了其應用范圍；另外，熱輻射不可避免會對目標區域外的細胞產生刺激，從而極大地降低神經調控精確性。
【發明內容】
[0005]本發明的發明人經研究得出以下見解:大腦通過電方式和化學方式進行交流，而電方式是控制細胞功能最為直接、有效的方式。可產生電流的納米機器人將直接對細胞進行刺激，會成為一種更通用和精確的神經調控方式。半導體在適當波長光照下可以產生電子-空穴對，但電子和空穴在納秒內復合，無法形成定向電流。如果用貴金屬納米粒子修飾半導體，則貴金屬納米粒子不僅可以作為光生電子受體促進電子和空穴的分離，還可以通過表面等離子共振效應，使寬禁帶半導體的吸收擴展到可見光區域。另外，T12納米粒子和金納米粒子由于其生物相容性，在生物醫學領域受到越來越多的關注。
[0006]針對現有技術存在的問題以及基于發明人的以上見解，本發明的目的是提供一種用于神經調控的納米材料，利用納米材料的光電轉換效應使神經細胞在電刺激下去極化，克服了利用熱刺激方式進行神經調控的應用范圍窄、精確性低及電極刺激侵入性的缺點，提供一種更通用、精確高效的神經調控技術。
[0007]一方面，本發明提供一種光電轉換納米粒子(簡稱NCs)，其包括親水改性的T12納米粒子、和連接于所述親水改性的Ti02納米粒子表面的金納米粒子。
[0008]在特定波長(例如405nm)光激發下，NCs中的T12產生電子空穴對，其中電子流動到氧化鈦表面的金納米粒子上，當NCs粘附于神經細胞膜表面時，電子流會與神經細胞膜外的正電荷相互作用，使神經細胞迅速發生去極化。該光電轉換納米粒子具有以下特點:I)可在可見光(例如405nm光)照射下產生電流；2)由于Ti02納米粒子和金納米粒子均具有生物相容性，且T12納米粒子進行了親水化改性，因此其生物相容性良好，能有效使神經細胞發生去極化;3)在癲癇斑馬魚上表現出顯著的抗癲癇治療效果。綜上所述，本發明是一種有望實現無損、精確調控神經的新技術，對未來更加精細的腦功能研究的實驗設計和神經疾病的新型治療技術的開發具有重要的借鑒意義。
[0009]較佳地，所述親水改性的Ti02納米粒子是巰基功能化聚乙二醇修飾的Ti02納米粒子，所述金納米粒子通過與所述巰基連接而連接于所述Ti02納米粒子上。巰基功能化聚乙二醇一方面可以通過聚乙二醇對T12納米粒子進行親水改性，同時又可以提供表面官能團巰基修飾，從而使金納米粒子連接于T i02納米粒子上。
[0010]優選地，所述巰基功能化聚乙二醇是DSPE-PEG2(XX)-SHt3DSPE-PEG2(XX)-SH兼具了磷脂的兩未性和PEG的未水尚分子特性，且帶有疏基，從而易于對疏水性TiC>2納米粒子進彳丁未水改性和提供表面官能團巰基修飾。
[0011]較佳地，所述T12納米粒子為銳鈦礦型。根據本發明，可以更為有效地產生電子空穴對。
[0012]較佳地，所述Ti02納米粒子的平均直徑為15?20nm。根據本發明，可以與金納米粒子形成粒徑較小核殼結構的納米粒子。
[0013]較佳地，所述金納米粒子的粒徑小于5nm。根據本發明，可以較為均勻地分散在T i 02納米粒子周圍形成核殼結構的納米粒子。
[0014]較佳地，Ti02納米粒子與金納米粒子的質量比為(6?10):1。根據本發明，可以較為有效地導出電子流。
[0015]另一方面，本發明還提供上述光電轉換納米粒子的制備方法，包括以下步驟:
(1)采用高溫熱解法制備疏水T12納米粒子；
(2)用巰基功能化聚乙二醇對疏水T12納米粒子進行改性和修飾；
(3)使金納米粒子連接到巰基功能化聚乙二醇的巰基上而連接到Ti02納米粒子表面。
[0016]本發明的制備方法簡單易行、成本低、效率高，低污染且重復性好，可以進行大規模應用。
[0017]較佳地，步驟(2)包括:在疏水T12納米顆粒的氯仿溶液中，加入一定濃度的DSPE-PEG2qqq-SH氯仿溶液，然后旋轉蒸發，再用水清洗。
[0018]較佳地，步驟(3)包括:將金納米粒子水溶液加入經巰基功能化聚乙二醇改性的T12納米粒子水溶液中，攪拌一段時間后，進行離心清洗。
[0019]再一方面，本發明還提供上述光電轉換納米粒子在制備神經調控劑中的應用。
[0020]本發明的光電轉換納米材料，在405nm光照下產生光電流，可有效使神經細胞去極化，在癲癇斑馬魚上表現顯著的抗癲癇治療效果。與傳統的刺激方式相比，具有無損、精確性高、響應時間快的優點。該技術可用于更加精細的腦功能實驗研究和部分神經疾病的高效治療。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明實施例1所制得的T12疏水納米顆粒分散于環己烷中的透射電鏡(TEM)照片;
圖2為本發明實施例1所制得的T12納米顆粒的XRD圖譜；
圖3為本發明實施例1所制得的Au納米顆粒分散于水中的透射電鏡(TEM)照片；
圖4為本發明實施例1所制得的NCs的分散于水中的透射電鏡(TEM)照片；
圖5為本發明實施例1所制得的NCs的紫外可見吸收光譜；
圖6為本發明實施例1所制得的NCs的在間歇405nm光照下的1-t曲線；
圖7為本發明實施例1所制得的NCs的細胞毒性實驗結果，每一組柱狀圖中，左邊指NCs，右邊指NCs+405nm光照；
圖8為本發明實施例1所制得的NCs使細胞去極化過程中的細胞電位成像(125yg/mL):(a)細胞膜電位熒光染料的實時熒光強度變化；(b)細胞膜電位熒光染料的最大熒光強度變化；
圖9為本發明實施例1所制得的NCs使細胞去極化過程中的鈣離子熒光成像(125yg/mL): (a)鈣離子熒光染料的實時熒光強度變化;(b)鈣離子熒光染料的最大熒光強度變化；
圖10為本發明實施例1所制得的NCs在細胞上的吞噬情況:a-d分別為培養30min，Ih，2h，4h的結果，第一到四列分別為DAPI的熒光，FITC的熒光，亮場圖像和融合圖像；
圖11為本發明實施例1所制得的NCs在斑馬魚上進行抗癲癇作用評價時各組斑馬魚的運動軌跡圖:(a)正常斑馬魚Ih內的運動軌跡；(b)癲癇斑馬魚注射PBS后Ih內的運動軌跡；(c)癲癇斑馬魚注射NCs后Ih的運動軌跡；(d)癲癇斑馬魚進行405nm光照射2min后Ih內的運動軌跡；(e)癲癇斑馬魚注射NCs并進行405nm光照射2min后Ih內的運動軌跡，(黑色線(參見(a)中的點狀線)代表運動速度小于4mm/sec的慢速運動軌跡，綠色線(參見圖中圓圈的背景色)代表運動速度大于4mm/sec小于20mm/sec的中速運動軌跡，紅色線(參見(c)中顏色最深的線)代表運動速度大于20mm/sec快速運動軌跡)；
圖12為本發明實施例1所制得的NCs在斑馬魚上進行抗癲癇作用評價時各組斑馬魚