導讀
帕金森病（Parkinson’sdisease,PD）是一種高發于老年群體的神經退行性疾病，主要病理特征為多巴胺神經元破壞和基底節功能異常。目前的治療手段以藥物和手術為主，但藥物劑量難控且易引發運動并發癥，手術侵入性強、適應癥嚴格，僅少數患者受益。光遺傳學技術通過基因工程改造神經元，實現對神經功能的精準調控，但其依賴穿透性差的可見光，需植入光纖進行深部腦區刺激，可能造成腦損傷和炎癥反應。天津醫科大學的研究團隊創新性地將上轉換發光技術與光遺傳學結合，開發出微創、精準的上轉換光遺傳學策略，為帕金森病治療帶來新突破。

本研究的核心團隊包括Xinsheng Li、Xiaoran Wang、Ting Zhou、Jiaojiao Yu、Heng Xiang、Cai Zhang、Shao-Kai Sun和Ruxia Liu。他們通過跨學科合作，將材料學與神經科學深度融合，驗證了上轉換光遺傳學在神經調控領域的變革性潛力。成果于2025年6月發表在國際期刊《Biomaterials》上，題為“Minimally invasive upconversion optogenetics for Parkinson’s disease treatment”。研究通過構建上轉換納米材料（UCNPs），將近紅外光（組織穿透性強）轉換為可見光（適合光遺傳學應用），無需植入光纖即可實現深部腦區神經元的激活或抑制，為帕金森病治療提供了全新的微創方案。

重要發現
核心技術：上轉換納米材料與光遺傳學的結合
研究團隊首先設計并制備了水溶性良好的上轉換納米材料（UCNPs@DP-PEG）。通過熒光光譜分析發現，該材料在980nm近紅外激光激發下，可在473nm處產生顯著的藍光發射峰，能夠有效激活藍光響應型光敏蛋白ChR2。這種納米材料的獨特設計使其在生物體內具有良好的穩定性和生物相容性，為后續活體實驗奠定了基礎。

帕金森病模型中的療效驗證
在單側黑質致密部注射6-羥基多巴胺構建的PD小鼠模型中，研究團隊通過AAV載體在損傷側外側蒼白球（GPe）表達hSyn-ChR2-mCherry，并在行為測試前1天注射UCNPs。與傳統光遺傳學需植入光纖不同，該方法僅需在顱骨表面固定光纖傳導近紅外光，即可實現深部腦區的激活。通過檢測神經元激活標志物的表達，證實GPe腦區成功被激活。

行為學實驗進一步驗證了該技術的有效性。礦場及轉棒實驗結果顯示，上轉換光遺傳激活GPe腦區可顯著提高PD小鼠的運動距離、平均速度，降低不動時間，并延長其在轉棒上的停留時間，表明小鼠的運動功能得到明顯改善。

創新與亮點
突破傳統光遺傳學的局限性
傳統光遺傳學依賴穿透性差的可見光，需植入光纖進行深部腦區刺激，不僅操作復雜，還可能引發腦損傷和炎癥反應。而上轉換光遺傳學利用近紅外光的強穿透性，結合UCNPs將其轉換為可見光，無需植入光纖即可實現深部腦區的精準調控，從根本上解決了傳統技術的侵入性問題。這種微創特性大大降低了手術風險，為臨床應用提供了更安全的選擇。

總結與展望
本研究通過上轉換光遺傳學技術，為帕金森病治療提供了一種微創、精準的新策略。其核心創新在于將近紅外光的強穿透性與光遺傳學的精準調控能力結合，克服了傳統技術的侵入性缺陷，并在活體動物模型中驗證了其安全性和有效性。此外，該技術在神經環路研究和行為調控中的拓展應用，進一步凸顯了其在神經科學領域的重要價值。

展望未來，研究團隊計劃進一步優化UCNPs的性能，例如提高光轉換效率、延長體內循環時間，以增強治療效果。同時，探索該技術在其他神經系統疾病（如阿爾茨海默病、抑郁癥）中的應用潛力，將是下一階段的研究重點。隨著技術的不斷成熟，上轉換光遺傳學有望從實驗室走向臨床，為更多神經系統疾病患者帶來新的希望。此外，與其他前沿技術（如柔性電子器件、腦機接口）的結合，可能進一步拓展其應用邊界，推動神經科學和精準醫學的發展。

聲明：本文僅用作學術目的。
文章來源于：
Li X, Wang X, Zhou T, Yu J, Xiang H, Zhang C, Sun SK, Liu R. Minimally invasive upconversion optogenetics for Parkinson's disease treatment. Biomaterials. 2025 Jun 17;324:123509.

DOI: 10.1016/j.biomaterials.2025.123509.