Nature Biomedical Engineering：脂质体！
小奇
2023-01-03
需要灵敏的技术来表征大脑的回路，并识别和治疗任何潜在的病理。与报告基因相结合的光学成像已经成为一种杰出的技术，能够针对特定的神经细胞群体。然而，使用光学成像探测脑回路存在相关的挑战，因为它需要用光学活性基因转导神经细胞，以及植入一种装置以将光递送穿过宽区域以激发经转导的神经细胞中的发色团。需要对所有目标组织进行适当照明，以确保精确测量大脑活动或操纵大脑回路。此外，这些测量值很难通过建模或其他方式获得，但对这些表征和操作的成功有很大影响。
近日，麻省理工学院Alan Jasanoff等人开发出了光敏脂质体造影剂，通过磁共振成像(MRI)对脑组织中光照模式的空间分布进行全面表征。
临床前广泛使用光学成像。通常使用在膜电位或钙离子(Ca2+)浓度改变后改变其反应的荧光染料对神经元活动进行成像。细胞活性的光学检测也可以通过报告基因实现，例如编码与Ca2+传感或电压传感结构域融合的荧光蛋白的基因，其被转导到特定的细胞类型中。对于光遗传学研究，光感受器基因也可整合到细胞群中，以使光活化或沉默转染细胞中的特定功能。光遗传学中最常见的发色团是在离子通道、基于四吡咯的光感受器和黄素结合系统中发现的视网膜视蛋白。工程化的G蛋白偶联受体，如谷氨酸受体，也可以通过光来打开和关闭。研究人员描述了包裹gadoteridol（一种基于顺磁性钆的MRI造影剂）的脂质体纳米颗粒的设计和性能，其透水性可通过共价共轭于纳米粒子脂质中磷脂酰胆碱部分(AzoPC)的偶氮苯的光异构化作用进行可逆调节。含有紧密堆积的饱和脂质的脂质体纳米颗粒倾向于阻止水交换，而加入更多的流动脂质有助于纳米颗粒外部和内腔之间的水交换。光会导致偶氮苯的结构变化，从而增强gadoteridol对大量水的接触，从而开启纳米颗粒探针的MRI对比度。研究人员通过改变脂质体双层的组成并通过调节流化脂质1-棕榈酰基-2-油酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱和非流化脂质1,2-二棕榈酰基-sn-葡萄糖-3-磷酸胆碱的量，优化了高浓度（220mM）gadoteridol脂质体的可切换纵向弛豫时间（T1）。紫外（UV）光触发苯环从顺式构象转换为反式构象，这导致脂质体优化配方的MRI对比度存在强烈差异。通过暴露于蓝光，MRI对比度可以快速反转，这促进了苯环的顺式构象。通过比较交替模式下蓝光和紫外光照射的纵向相对性（R1），作者表明对比度随时间稳定。作者随后表明，经过优化的AzoPC脂质体纳米粒子可以在体内绘制光图。纳米粒通过缓慢的局部输注进入大鼠脑中给药。注射纳米颗粒后观察到的磁共振信号变化表明通过对流在脑中有效扩散。蓝色和UV光周期上的磁弛豫性变化提供了纳米粒子探针对包含探针的个体体素的光的敏感性的度量。探针对紫外线和蓝光以及两种波长相对于初始基线的响应产生显著的MRI信号均值差异。在活体动物中，光响应率的分布在重复光照周期内也是一致的。此外，作者表明，通过将实验数据拟合到一个由光束扩展函数与光子扩散项线性组合而成的模型，可以生成分辨率约为200微米的光分布定量图。综上所述，该研究的结果表明了基于偶氮PC的脂质体纳米颗粒在体内绘制深部组织中光子分布图的鲁棒性。正如研究人员所建议的，通过将共轭偶氮苯发色团改为替代光开关，可以将偶氮PC光开关的作用光谱外推到更长的波长，从而为该方法适应其他应用提供了空间，并有可能改善吸收截面。脂质体还可以包括替代的R1造影剂和在其外部的靶向特定位点的靶向基团。然而，纳米颗粒在深层组织中的均匀分布可能受到限制，因为纳米颗粒清除率的差异可能取决于免疫微环境。此外，与许多光学技术一样，该方法需要手术注入纳米颗粒，并且手术过程可能会导致光传输的差异。广泛的光学基因可用于表征和操纵神经元活动，其波长范围从红外到紫外。光遗传学最近也在早期患者试验中进行了测试；在第一个使用案例中，它帮助失明近40年的患者恢复了视觉功能。需要更多的研究来开发更好的病毒载体和光学装置，并进一步表征其安全性。由于光学成像的广泛应用，该脂质体纳米颗粒提供的基于微创MRI的光映射方法可能有助于计划实验程序，并在使用光学成像表征或操纵脑回路时解释实验结果。Simon, J., Schwalm, M., Morstein, J. et al. Mapping light distribution in tissue by using MRI-detectable photosensitive liposomes. Nat. Biomed. Eng (2022). https://doi.org/10.1038/s41551-022-00982-3
