原創 長光所Light中心 中國光學 收錄於話題#光遺傳學2#生物醫學光子學10
撰稿 | 顧明瀟（東京大學 碩士研究生）
指導教師 | 陳碩（加州大學伯克利分校博士後 2019 年《麻省理工科技評論》「35 歲以下科技創新 35 人」 ）
你的身體器官是如何感受到疼痛的？
19世紀末，德國生理學家 Maximilian von Frey提出了痛覺源於游離神經末梢的概念。隨後，英國病理學家Charles Scott Sherrington爵士通過刺激傳入神經的感受野從而觸發疼痛的實驗首次發現特異性的痛覺感受器並提出了 「傷害感受器」這一概念。
當傷害感受器受到有害刺激被激活時，除了引發疼痛以外，傷害感受器還會通過改變毛細血管管壁的通透性以及影響血液的流動從而引發神經源性炎症。然而，傷害感受器是否與免疫系統相互作用仍是個未解之謎。
圖源：Veer
近日, 洛桑聯邦理工學院、哈佛醫學院、波士頓兒童醫院與蘇黎世聯邦理工學院等團隊裡的研究人員，通過運用自主研發的可操控無線光電設備對小鼠末梢神經上的傷害感受器進行特異性的光遺傳調控，在誘發了保護性疼痛行為的同時，引發了炎症，從而揭示了傷害感受器與免疫細胞之間存在的潛在聯繫。這項成果於9月21日以「Epineural optogenetic activation of nociceptors initiates and amplifies inflammation」 為題發表在Nature Biotechnology。
圖1 對表達有ChR2的傷害感受器的特異性光遺傳調控可同時引發疼痛與皮膚炎症
圖源：Epineural optogenetic activation of nociceptors initiates and amplifies inflammation.
Nat Biotechnol (2020). Fig. 1a
自光遺傳學的誕生開始，這項技術就立即成為了神經科學家們追捧的新寵兒並引發了神經科學研究方式的巨大變革。光遺傳學在時空解析度和細胞類型特異性等特點上具有得天獨厚的優勢，克服了神經科學研究中曾經所擁有的細胞操控特異性差或難以實時精準操控生物體活動等諸多缺點。
通過廣泛地運用光遺傳學，神經科學家們實現了對經過DNA重組與修飾後的神經細胞的精準及時的特異性調控，從而能夠更加深入且徹底地探究特定神經細胞的功能以及與神經網絡中其他類型的神經細胞的聯繫。時至今日，光遺傳學仍被大量地運用於中樞神經系統的研究，而在末梢神經系統的研究中卻幾乎處於一片空白。
為了實現在末梢神經進行長期且穩定的光遺傳操控，通過結合材料科學、電子工程學以及神經科學的相關技術與理論，研究人員設計了一套用於小鼠的可遠程編程操控的穿戴式無線光電系統，從而實現了對自由活動中的小鼠的特定的末梢神經進行多次重複且精準的光刺激。該裝置主要由以下四部分構成：
1）摺疊於坐骨神經周圍且具有高契合度的環繞型高效微型LED陣列
2）用於連接微型LED與皮下線纜並削弱局部運動的影響的可伸縮紐帶
3）經皮下延伸至頭戴式連接器的雙線電纜
4）集成了多通道刺激、一米以內的無線通訊與藍牙操控以及鋰電池自主供電等功能的輕便緊湊型頭戴式控制設備
圖2 由微型LED陣列組成的無線光電調控設備
圖源：Epineural optogenetic activation of nociceptors initiates and amplifies inflammation.
Nat Biotechnol (2020). Fig. 1d
隨後，研究人員對上述無線光電系統進行了活體植入安全性的檢測中並將微型LED與皮下線纜植入到了小鼠體內。研究人員可以通過藍牙接入設備獲取系統的實時狀態信息並發送遠程指令實現對自由活動小鼠的光遺傳刺激與調控。術後的跟蹤觀察與組織學分析顯示被植入的微型LED陣列與線纜並未引發嚴重的組織變形或排異反應，從而展現了該無線光電系統被植入部分良好的生物兼容性以及整個系統被用於神經生物學實驗的可行性。
圖3 無線光電系統活體植入與運行示意圖
圖源：Epineural optogenetic activation of nociceptors initiates and amplifies inflammation.
Nat Biotechnol (2020). Fig. 1c
在接下來的活體實驗中，研究人員選取了能在痛覺傳入神經上特異性表達通道視紫紅質蛋白-2（Channelrhodopsin-2）的轉基因小鼠（TRPV1-Cre::ChR2）並將無線光電調控設備植入小鼠體內。當研究人員對痛覺傳入神經軸突進行光刺激時，誘發了自由活動的小鼠表現出帶有疼痛特徵的行為，預示著通過光刺激產生的疼痛信號通過軸突順向傳入了脊髓。
有趣的是，光刺激在激活傷害感受器並產生疼痛的同時，也在原本健康的小鼠的同側後爪誘發了代表炎症的紅腫，並且由於傷害感受器周圍神經末端的逆向活化，導致已存在的炎症得到進一步的惡化。進一步分析發現，光刺激後誘發的炎症患處的免疫細胞數量都顯著增加，預示著光刺激同樣也引發了應對炎症的免疫反應。
這個實驗結果清楚地揭示了傷害感受器與免疫系統之間一直以來不為人知的緊密聯繫與相互作用，並對未來關於疼痛產生的理解以及炎症的治療產生了深遠的影響。該結論如果進一步得以證實，疼痛領域的基礎理論將被進一步豐富。對於臨床治療上出現的所謂「炎症性疼痛」，醫生在為病人止痛時的著眼點或將不再局限於消除炎症，阻斷傷害感受器信號的進一步傳入也為治療提供了一個新的選擇。
此外，由聯合課題組研發的新型無線光電操控系統不僅對傳統的光遺傳學操控手段在無線化以及可遠程操控性上做出了改良，更重要的是這項技術首次著眼於末梢神經系統，克服了末梢神經研究曾經存在的困難，提出了一種全新的具有高親和度與巨大改良空間的用於操控末梢神經系統的光遺傳技術手段，並為今後對神經末梢系統的進一步研究打下了潛在的技術基礎，同時也保留著未來將其運用於人類自身的醫療健康領域的巨大可能性。
文章信息
Michoud, F., Seehus, C., Schönle, P. et al. Epineural optogenetic activation of nociceptors initiates and amplifies inflammation. Nat Biotechnol (2020).
原文地址
https://doi.org/10.1038/s41587-020-0673-2
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原標題：《光遺傳操控末梢神經：解密人體「炎症」之謎》
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