用于生物医学领域近红外光调控

• 用于生物医学领域近红外光调控
  
  
  远程调控生物活性有助于揭示生命系统中潜在的生理过程，并有可能研发出新的治疗方式，因此它在生物学和医学领域发挥了重要的作用。目前各种外部刺激（包括磁场、超声波、加热、电场和机械力）已经被用来调控生物体中指定部位的特定生物过程。这些刺激方法能够实现多种生物活性的调控，包括基因转染、信号通路、离子通道、蛋白质活性、细胞功能、生物分子分离和组织再生。然而，由于具有慢的磁热效应，磁场需要数十到数千秒才能产生足够的强度；并且在设置磁性设备时需要复杂的操作过程。超声处理具有较差的组织靶向性，而且可能会导致恶性细胞的转移性扩散。加热、机械力和电刺激都很难实现在时间和空间上的可控制性。因此，这些外部刺激的局限性在一定程度上限制了它们的生物医学应用。

  调控生物过程的另一种替代方法是光调节。光具有无创性、高时空分辨率和易调控性等优势，因此光调控有望应用于生物医学领域的各个方面。除了用于杀死病变细胞的光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT）之外，基于光调控的生物应用还包括离子通道的光热打开、光敏蛋白的光刺激、生物分子的光活化控释以及组织的光交联等等。然而，光调控技术经常遇到一些限制其潜在应用的困境。这主要是由于在光调控中广泛使用紫外光（UV）或可见光（大多数当前报道的光敏成分仅响应这些波长的光源）。紫外光和可见光由于其在活体组织中易于被吸收和散射，而具有非常浅的组织穿透深度。此外，紫外光具有很高的能量，很可能损坏生物分子（例如核酸，蛋白质和脂质），从而导致光毒性。为了解决这些问题，可以考虑用具有较低组织吸收、较少光散射和较强组织穿透能力的近红外（NIR）光源（700-1000nm）替换UV和可见光，以实现对不同生物活性的光调控。

  由于生物体内很少有内源性的生物分子能够直接地响应NIR光，分子转换器对于生物活性的光调控是必不可少的。就这一点而言，具有光学性质的纳米材料已经展现出能够将光转换成各种形式的刺激因素从而调控生物过程或者生物分子活性的潜力。例如，上转换纳米颗粒（UCNP）可以将NIR光转换成与光敏成分或蛋白质离子通道的吸收光谱相匹配的UV和可见光。有机半导体纳米颗粒、氧化石墨烯、碳纳米管和金属纳米颗粒可以转换NIR光以产生局部热量，从而实现光热刺激对温度敏感的生物行为。此外，在NIR光照射下，基于光敏剂的纳米颗粒能够产生活性氧自由基（ROS）以诱发活体中的生化反应。

  【成果简介】

  在这篇综述中，新加坡南洋理工大学浦侃裔教授课题组总结了用于近红外光调控的光学纳米转换器的最新研究进展，包括神经元、基因表达和视觉系统的光调控以及光化学组织粘合。在文章中，作者讨论了纳米转换器的设计原理、光学性质以及NIR光介导的光调控的作用机制。最后，该文章给出了一个简短的总结，并讨论了该领域目前的挑战和前景。该成果以题为“Nanotransducers for Near-Infrared Photoregulation in Biomedicine”发表在Adv. Mat