《Advanced Functional Materials》：Mechanoluminescent HOF Nanotransducers Enabled Sono-Optogenetics in Parkinsonian Rats
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超声波触发的机械发光已成为一种极具前景的非侵入性光递送策略，旨在通过远程神经调控推动光遗传学发展并加速其临床转化。然而，现有的机械发光纳米换能器缺乏足够的亮度及持久、可重复的发光特性，难以有效调节深层脑区功能以潜在治疗神经退行性疾病。在此，研究人员报道了声敏化
超声波触发的机械发光已成为一种极具前景的非侵入性光递送策略，旨在通过远程神经调控推动光遗传学发展并加速其临床转化。然而，现有的机械发光纳米换能器缺乏足够的亮度及持久、可重复的发光特性，难以有效调节深层脑区功能以潜在治疗神经退行性疾病。在此，研究人员报道了声敏化氢键有机框架（Hydrogen-bonded organic frameworks, HOFs），其作为纳米级光递送系统，可由超声刺激激活。这些纳米换能器实现了高亮度及延长、可重复的发光，从而实现了跨多个脑区的精确神经调控。利用这些纳米换能器，研究人员在小鼠中展示了有效的运动皮层调控以控制肢体运动，并在外侧苍白球（External globus pallidus, GPe）中选择性激活表达副肌钙蛋白（Parvalbumin, PV）的神经元，从而挽救多巴胺耗竭的帕金森病大鼠的运动功能障碍。这项工作为非侵入性、基因靶向的帕金森病神经调控开辟了新路径，并有望向非人灵长类动物及临床环境转化。除神经调控外，该技术代表了监测和控制光敏细胞过程的通用工具。
光遗传学已彻底改变了我们操纵特定神经元和回路的能力，为帕金森病等神经 disorders 的精准治疗打开了 avenues。然而，由于可见光在组织中的穿透深度浅，限制了其临床应用，通常需要植入侵入性光纤以实现深部脑区的光递送。尽管基于上转换的光遗传学通过允许近红外（Near-infrared, NIR）光更深穿透组织而推进了微创神经调控，但在有效调节深部脑区方面仍受限于效率。近期，聚焦超声（Focused ultrasound, FUS）触发的机械发光为靶向脑区的非侵入性光递送提供了有前景的途径，利用了超声卓越的组织穿透能力和成熟的临床安全性。压电机械发光首次被证明可在超声刺激下产生光，并应用于浅表小鼠运动皮层的非侵入性神经调控，但其应用受到预充电需求及重金属潜在生物相容性问题的阻碍。近期，由超声诱导级联反应驱动的有机机械发光实现了无需充电的主动发光，有望通过改善生物相容性和系统简单性支持可持续且可重复的声光遗传学。尽管如此，这些纳米换能器有限的发光强度和持续时间限制了其操纵神经元活动的效率，特别是在深部脑区。开发具有更高光子发射和更可重复刺激的机械发光纳米换能器是实现疾病治疗中有效深部脑声光遗传学的主要挑战。
氢键有机框架（HOFs）通过有机构建单元间的多价氢键和π–π堆积相互作用组装而成，是近年来出现的一类具有高结构均一性和可编程性的多孔材料。它们表现出高药物负载能力、生物相容性，并通过调整构建单元实现功能可编程性，适用于各种生物应用。基于此，研究人员假设由声敏剂构建单元组成的HOF可作为多孔载体，负载高比例的化学发光试剂，作为超声诱导级联反应容器，以实现深部脑声光遗传学所需的高光子产量。此外，尽管超声激活机械发光材料近期取得重大进展，但其在神经系统疾病治疗中的应用仍 largely unexplored。因此，将声光遗传学与帕金森病大鼠模型中特定神经回路的靶向调控相结合，可能为帕金森病的临床治疗干预开辟新途径。
在本研究中，研究人员提出了设计一种结合化学发光试剂L012的声敏化HOF，作为能够产生高强度光子发射、长持续时间和精确时间分辨率的纳米级光源。光的时空控制使得表达视蛋白的神经元的高效调控成为可能，支持在包括小鼠浅表运动皮层和大鼠更深的外侧苍白球（GPe）在内的多个脑区的精确神经活动调控，从而驱动行为结果。此外，研究人员展示了声光遗传学激活表达PV的GPe神经元（PV-GPe）可恢复多巴胺缺乏大鼠的运动并逆转病理性神经活动，最终改善帕金森病大鼠模型的运动功能障碍。这些发现确立了通过声光遗传学进行非侵入性、基因靶向深部脑神经调控的可行性，并突显了其作为帕金森病治疗策略的潜力。该论文发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。
为开展这项研究，研究人员主要应用了以下关键技术方法：首先，利用第一性原理密度泛函理论（Density functional theory, DFT）计算筛选具有窄带隙的声敏化配体H4TBAPy，并通过溶剂交换法制备纳米级Sono-HOFs，利用其高孔隙率负载化学发光试剂L012形成HOF@L012纳米颗粒；其次，采用荧光光谱、紫外-可见光谱及化学探针检测活性氧（Reactive oxygen species, ROS）生成及发光特性；第三，在体外培养原代神经元中，通过慢病毒载体转染表达通道视蛋白2（Channelrhodopsin-2, ChR2）和钙指示剂jRGECO1a，结合超声刺激评估神经元的激活情况；第四，在体内实验中，选取Thy1-ChR2-YFP转基因小鼠和PV-Cre转基因大鼠作为样本队列，通过尾静脉或颅内注射纳米颗粒及病毒载体，结合聚焦超声系统进行非侵入性神经调控，并通过行为学测试（如圆筒测试、阿扑吗啡诱导旋转测试）及组织学染色（如c-Fos、Iba-1、GFAP等）评估治疗效果及生物安全性。
研究结果表明，Sono-HOFs具有高结晶度、相纯度及稳定性，其平均粒径约为533.7 nm，比表面积大，对L012的负载量高达~25 wt.%。在超声刺激下，HOF@L012纳米颗粒能有效产生单线态氧（Singlet oxygen, 1O2），且无泄漏，发光波长约470 nm，与ChR2吸收光谱高度重叠。该系统表现出优异的时间分辨率（延迟<4 ms）和可控性（1-10 Hz脉冲频率），发光强度与超声峰值压力正相关，且具备长达约3000次的重复发射能力及约20 mm的组织穿透深度，显著优于传统脂质体光源。体外实验显示，该纳米颗粒对HEK细胞及红细胞无明显毒性，在超声激活下可高效诱导表达ChR2的原代神经元产生动作电位。体内实验中，在小鼠运动皮层注入HOF@L012并施加超声刺激，可同步诱导肢体运动及c-Fos表达，证实了非侵入性远程神经调控的有效性。在帕金森病大鼠模型中，研究人员通过立体定向注射AAV9病毒至PV-Cre大鼠外侧苍白球（GPe），使PV神经元特异性表达ChR2，随后单侧内侧前脑束注射6-羟基多巴胺（6-Hydroxydopamine, 6-OHDA）构建偏侧帕金森病模型。颅内注射HOF@L012后，声光遗传学激活PV-GPe神经元，fiber photometry记录显示钙信号显著增加，c-Fos免疫组化证实激活特异性。行为学测试显示，声光遗传学刺激显著改善了圆筒测试中的对侧肢体使用率及阿扑吗啡诱导旋转测试中的旋转角度和速率，效果与传统光遗传学相当，且治疗14天后未观察到明显的微胶质细胞或星形胶质细胞活化及神经元凋亡，显示出良好的短期生物相容性。
讨论部分指出，尽管声光遗传学通过开发机械发光纳米颗粒克服了传统光遗传学的局限，实现了远程非侵入性神经调控，但仍面临挑战。当前的机械发光依赖超声诱导级联反应，限制了发光强度，且产生的ROS可能存在泄漏风险。此外，与无机机械发光系统相比，该纳米颗粒需要相对较高的超声功率，可能增加组织损伤风险。然而，本研究证实了Sono-HOFs作为非侵入性纳米光源的可行性，其在深部脑区的高效光递送及细胞类型特异性调控能力，为帕金森病的治疗提供了有前景的策略。
结论部分总结，本研究引入了负载化学发光L012的声敏化HOF纳米颗粒概念，作为超声触发的纳米光源。这些Sono-HOF纳米颗粒不仅因高孔隙率而表现出极高的L012负载能力，还作为ROS发生器，产生了比先前使用的脂质体纳米颗粒更亮、更持久的光发射。此外，研究人员将声光遗传学方法首次应用于大鼠，特异性激活多巴胺耗竭帕金森病大鼠中的PV-GPe神经元，其缓解运动症状的效果与传统光遗传刺激相当。该方法提供了一种有前景的治疗途径。尽管目前治疗持久性有限，但这种非侵入性、细胞类型靶向的选择性声光遗传刺激有望比深部脑刺激（Deep brain stimulation, DBS）更好地缓解帕金森症状。该方法应在非人灵长类帕金森病模型中进一步评估，并有望更接近首次人体临床试验。虽然声机械发光材料的发展仍处于早期阶段，但本研究为设计其他非侵入性超声诱导光子递送系统以用于非侵入性光遗传学、生物成像等领域打开了大门。
