随着神经科学研究的逐渐深入和精准医疗的需求不断增大，新型无创细胞操控技术的开发迫在眉睫。目前主要的细胞操控技术是通过光、电、磁、超声等刺激方式调控神经元的兴奋性，进而探究相关细胞活动和生理机制。其中应用最为广泛的是光遗传学技术，但由于可见光的波长较短，在组织中具有较强的光散射和光吸收效应，导致其在组织中衰减严重，无法实现对深部脑组织的刺激。此外，在体操控技术如光遗传学技术存在侵入性和安全性问题，需要通过创伤手术埋置光纤（光遗传学）。因此，目前神经操控技术的一个热点是致力于开发精准高效且穿透力强安全性高的在体无创操控技术，具有广阔的基础研究和临床治疗应用前景。

2023年9月8日，浙江大学基础医学院/附属第四医院杨巍课题组联合浙江大学光电科学与工程学院钱骏课题组在Small Methods杂志发表了题为Near-Infrared Photothermal Manipulates Cellular Excitability and Animal Behavior in Caenorhabditis elegans的研究论文。该研究开发了一种利用近红外光（NIR）无创操控活体行为技术，基于FDA批准药物吲哚菁绿（ICG）能被近红外光照射产生光热转化功效，进而激活在特定组织细胞中表达的热敏感通道TRPV1，导致细胞膜去极化增强细胞兴奋性，进而时空特异且可逆引发动物特定生理行为，并在不同类型的组织细胞中对该技术进行了应用检测，发现无论是神经元还是肌肉组织都能实现快速可逆的特定行为操控，为今后引入哺乳动物等复杂体系开展无创操控提供实验依据。

该研究选择了相较于可见光具有更深组织穿透性的近红外光（NIR）进行光操控，同时选择了临床上被广泛应用的高安全性光热转化药物吲哚菁绿（ICG）作为光热感应材料。该研究首先在体外检测了ICG的光热转化性能，发现在反复多次的NIR（790 nm）光热刺激下，ICG依旧展现了较高且稳定的光热转化效应。然后，该研究在培养的HEK293T中转染表达鼠源热敏离子通道mTRPV1，并对细胞给予ICG孵育，通过钙成像检测发现在ICG存在的情况下，NIR照射能够迅速激活mTRPV1通道，从而实现快速操控细胞兴奋性。

AFD感觉神经元兴奋性的影响

为了检测该光热系统在体操控的可行性，该研究选择了经典模式生物秀丽隐杆线虫。通过转基因技术构建特定神经元和肌肉细胞特异性表达mTRPV1线虫，给线虫喂食ICG，随后采用NIR照射，能够迅速提高mTRPV1的“温度”感觉神经元AFD的钙水平，增强神经元的兴奋性，并引起热激回避的后退行为。

接着，该研究在D型运动神经元中对该光热系统进行了应用，发现除了感觉神经元以外，NIR同样能够操控运动神经元的兴奋性。由于该种神经元是GABA能的，光热激活后神经元释放抑制型递质GABA，导致下游肌肉细胞的松弛，抑制了线虫在液体环境中的游泳摆动。这些结果表明，该光热操控系统具有很好的在体神经操控性能。

NIR通过激活D型运动神经元减少线虫在液体环境中的游泳摆动

目前细胞操控技术主要应用在神经系统中。为了扩展该技术的应用范围，该研究进一步在不同类型肌肉细胞中进行了应用。研究发现，在ICG存在的情况下，NIR照射不仅能够精准的调控表达有mTRPV1的线虫横纹肌体壁肌肉兴奋性，引起肌肉收缩，导致线虫爬行停止的瘫痪表型；同时还可以调控非横纹肌阴户肌肉兴奋性，引发线虫产卵行为，表明细胞兴奋性操控技术也能拓展到肌肉系统。

模式图：NIR通过TRPV1和ICG调节线虫的细胞兴奋性和生物学行为

综上，该研究开发的光热操控技术可以在不同组织可兴奋细胞中进行特异且高效的在体细胞兴奋性操控，进而快速可逆操控活体生理行为，具有广阔的应用前景。

浙江大学博士生庄斯宜、何木斌、冯佳琪、彭士屹为本文共同第一作者。浙江大学基础医学院/附属第四医院杨巍教授，浙江大学光电科学与工程学院钱骏教授，浙江大学基础医学院/附属第四医院特聘研究员岳晓敏为本文的共同通讯作者。研究获得国家自然基金委重点项目、浙江大学教育部脑与脑机融合前沿科学中心等基金项目的资助。该研究开展得到了浙江大学医学院徐素宏教授和华中科技大学高尚邦教授的大力支持，同时感谢浙江大学医学院公共技术平台方三华博士为本研究提供的帮助。

作者介绍

杨巍，浙江大学教授，博士生导师，浙江省杰出青年基金获得者，浙江大学医学院附属第四医院双聘教授。主要研究配体门控离子通道（TRPM2通道，NMDA受体和TRPV1通道等）门控调节及其介导生理病理功能，并针对这些靶点开发神经系统疾病等治疗药物。以通讯作者（含共同）身份在包括《Nature Chemical Biology》,《PNAS》,《Cell Research》,《Nature Communications》,《Cell Reports》, 《Particle and Fibre Toxicology》,《Journal of Medical Chemistry》等国际知名杂志上发表学术论文60多篇，被权威期刊Nature, Science, Nature Review Science, Pharmological Review等正面引用2000余次。近年主持国家自然科学基金重点项目，科技部蛋白质重大研究计划子课题，国家重大新药专项子课题和浙江省杰出青年基金等十余项科研项目。杨巍课题组目前在膜蛋白细胞运输调节、神经系统疾病、线粒体自噬等方向招聘博士后，详见实验室网站：https://person.zju.edu.cn/yangwei0219