南理工冯章启/东南大学王婷团队Adv.Sci.：基于遗传学的精准神经调控靶向策略

背景介绍

神经调控是医学中发展最快的领域之一，已经部署在数十万患有各种神经系统疾病的患者中，其市场预计到 2025 年将达到 78 亿美元。 传统的神经刺激技术如深部脑刺激（ DBS ）、经颅磁刺激（ TMS ），和经颅电流刺激（ tCS ），通过有针对性地施加电流或磁场来调节大脑活动。尽管这些技术在调节神经活动方面有效，但它们也面临一些挑战。 主要问题包括选择性靶向特定神经回路或细胞类型的能力有限，以及难以在某些大脑区域实现精确的空间分辨率 。这些问题主要源于 DBS 所需的侵入性植入手术以及 TMS 和 tCS 需要直接接触头皮的大型刺激器。近年来 基于遗传学的神经调控方案能够以高时空分辨率选择性地 操 纵特定细胞群的活动，为探测细胞生物学机制、解析神经元投射通路、绘制神经图谱以及精确治疗神经和精神疾病提供了前所未有的机会 。 相对于传统的神经调控方案，其有三点特殊的优势。首先，量身定制的遗传学工具可以精确控制专门的突触机制，确保神经调控的保真度并有利于实现多模态神经调控。其次，通过精准调控神经元亚群的功能连接，可以最好地理解神经系统的复杂线路；精准神经激活可以揭示两个神经元群体之间的突触连接，而神经抑制使我们能够破译突触在信号传播、网络振荡、计算和行为中的作用。第三，独特的操作方案使得微 创甚至 是无创神经调控成为可能；无线递送的物理场可以以非破坏性的形式穿透组织有利于实现安全的神经调控。

近日，南京理工大学冯章启/东南大学王婷科研团队在《

Advanced Science

图1.基于遗传学的靶向调控策略。

详细内容 ：

一、 基于遗传学的神经调控的基本原理 和方案 。

人工感受器 介 导的精准神经调控实施方案是一种将人工感受器和神经调控相结合，对神经系统进行精准干预的方法。受体基本上由感觉模块和效应结构域组成。在受到特定线索的刺激后，传感模块内的受体对刺激做出反应并发生化学转变或构象变化（图2）。首先，需要 设计合适的人工感受器，确定目标神经元或神经回路的特定标记或特征基因 ，选择靶标 。根据目标基因，设计合适的基因编辑或调控工具。 植入人工感受器， 通过各种分子生物学技术评估引入的基因修饰对靶神经元的功效和影响。在确认有效的基因工具表达后，可以应用外部刺激来调节神经元活动。同时，有必要根据特定的应用要求和目标使用适当的遗传工具，以使用光、热、机械力、化学信号、电刺激或磁场进行神经调节（图3）。

图 2 . 基于遗传学的靶向神经调控策略的基本原理。

图 3 . 人工受体 介 导的精准神经调控 。

1.光遗传学

光遗传学技术通过利用天然和基因编码的光感受器和光的组合，以时间和空间精度控制高度异质组织中选定细胞的活性 。 对于全回路或脑区光遗传学，光需要以足够的辐照度到达目标以诱导视蛋白激活。理想情况下， 光应该 被引导进入目标结构，对组织的损伤最小。在行为正常的动物中，刺激也应尽量减少对测量行为的干扰，限制植入重量和系绳刚度。整个电路 / 区域光遗传刺激通常使用多模光纤进行，将光从光源引导到目标。 作者在本章研究了光遗传学致动器的最新进展，并全面回顾了靶向光传递的策略及其各自的科学效用。

2.热遗传学

热线索的特点是其固有的可逆性、非侵入性、深层组织渗透性和易于应用，在生物环境中无处不在。现代精确热传递技术（包括磁性热疗、近红外光和聚焦超声）与其相结合，有助于在体内进行无线、精确和深入渗透的靶向神经调控。

3.机械力遗传学

人体细胞不断暴露在机械力下，机械力在调节发育、组织稳态和再生以及影响多种疾病过程方面发挥着重要作用。机械力感受器在这些过程中发挥了重要的作用，它们能够响应不同的机械负荷模式并转化为相应的电信号或化学信号，启动特异性的生物活动进程。这为通过使用不同的机械刺激条件操纵离子通道活性进而实现精准的神经调控提供了机会。并且由于机械力相对于光和 热来说 具有更加深的组织穿透能力和时空分辨率，被誉为最有潜力运用于临床实践的精准神经电刺激方案。为了高效、可控、安全地激活这些机械力感受器实现精准的神经调控，应用合适的机械负载至关重要。截止到目前，重用的机械负载主要是超声波 和 磁机械 力。基于超声波的机械力遗传学方案过将细胞或组织与微小的超声波振动相互作用，从而施加机械力刺激。这种超声波刺激可以模拟生物体内自然环境中的机械力，激活机械力感受器并触发相关的细胞信号传导途径 , 在生物医学方面都有广泛应用。

4.化学遗传学

化学遗传学代表了一个新兴的领域，能够以前所未有的精度调节神经活动。该技术涉及外源配体的基因工程，以选择性地与特定受体结合，从而提供一种靶向的神经调节方法 。 主要利用 G 蛋白偶联受体（ GPCR ），这些受体经过工程改造，专门响应定制配体 —— 仅由设计药物（ DREADD ）激活的设计受体。 在化学神经调控领域，超快速纳米换能器等创新策略体现了纳米技术在神经科学中的应用。这种方法采用镀金、机械响应的纳米囊泡将生物活性分子精确输送到脑组织中，从而能够调节大脑深部区域的神经活动。 利用磁场对纳米换能器进行远程加热构成了一种控制释放封装分子的新方法。 此外，声波靶向化学遗传学（ ATAC ）策略可以应对 全身给药 带来并发症的问题。

5.电遗传学

电遗传学依靠产生的电场来转移自由电子，以便对设计单元进行编程。电子设计激活细胞一般涉及直接和间接两种方式。对于电场直接对工程细胞激活，电脉冲会导致设计细胞的受体平台做出构象变化的响应。例如，电压门控离子通道通过膜上的电压调节高速传导离子，调节神经元中质膜的极化。而间接策略工程细胞不对电场本身做出反应，利用接收器平台，感知电刺激的产物。例如，基因表达的电化学控制允许电子电路和遗传电路相互直接连接。电遗传学系统由电级、氧化还原诱导剂、氧化还原转录因子和其同源启动子四个部分组成。结合先进的无线电刺激方案，电遗传学可以实现更低侵入性的神经调控。例如，联合超声波 - 电转换技术、磁电技术等。

6.磁遗传学

外部直流（ DC ）和交流（ AC ） 磁场很容易穿透生物组织，可以很容易地由载流导线或永磁体产生，并且可以激活任何神经元群，无论其解剖位置如何，无需侵入性手术。理想情况下，人们可以利用自然界磁感受器的敏感性来实现这一目标。

二、 总结与展望

基于遗传学的靶向神经调控技术现已在分子生物学和生物医学工程领域得到了广泛的应用，作为精准控制特定神经元群活性和相关神经环路动力学的有力工具。在过去五年中，其在研究细胞生物机制、绘制神经图谱和对药物难治性神经和精神系统疾病的治疗上获得了突破性的进展。 尽管取得了这些进步，但更广泛的临床采用和商业化仍面临挑战 ，尤其是：

1.安全考虑：传学技术涉及将基因或者外源基因引入，遗传工具在神经调控中需要长期表达同时需要确保遗传工具的应用对神经元和组织的安全。有些遗传工具可能会引起细胞毒性、炎症反应或不可逆损伤。因此，采用生物标志物检测技术和活体成像、荧光显微镜等成像技术进行治疗效果的监测。当然区别于传统的方法，构建纳米探针， 实现对生物标志物、基因载体、闭环反馈控制的辅助，从而实时监控并处理任何不良反应。同时，选择具有高稳定性、良好生物兼容性的生物材料可以减少其在体内的残留量和时间是一种替代方法。最近越来越关注新型功能化和特殊结构设计的纳米材料。此外，纳米材料的长期毒性作用以及对正常细胞的潜在机制等待未来解决。

2.配体-受体考虑：研究人员需要认真考虑和解决配体和受体选择、特异性、信号传导途径、时间窗口、耐受性和耐药性等问题。为了优化配体和受体的选择，个性化设计和适应性配体的应用至关重要。通过开发多功能受体与智能开关检测系统，可以实现更精准的靶向治疗。此外，利用基因编辑和蛋白工程技术优化受体结构，能够精细调控信号传导途径，增强治疗效果并减少副作用。为了应对耐药性和耐受性问题，实时监测和组合疗法是关键。采用生物标志物检测技术和活体成像（如荧光显微镜）等手段，可以实时监控治疗效果，并迅速处理任何不良反应。区别于传统方法，构建纳米探针不仅可以辅助生物标志物和基因载体的检测，还能实现闭环反馈控制，确保治疗过程的动态调整。选择高稳定性、良好生物兼容性的材料，可以减少体内残留时间和潜在毒性，进一步提高安全性。最近，新型功能化和特殊结构设计的纳米材料受到越来越多的关注，但其长期毒性和对正常细胞的影响仍需深入研究。

3.可扩展性、成本控制和标准化：遗传学技术面临多重挑战。首先，在实现大规模应用时，递送系统的效率和通用性是关键瓶颈。当前常用的病毒载体（如 rAAV ）虽然高效但产量有限且成本高昂，限制了其广泛应用。针对先进基因传输系统的高昂成本的问题，开发经济高效的载体系统、减少原材料消耗。此外，不同实验室和医疗机构之间的设备和技术平台差异显著，难以确保一致性和重复性。技术的大规模部署能力亟待解决，采用自动化设备和标准化操作规程（ SOP ），实现高效稳定的基因编辑和递送过程。

4.伦理考虑：基因调控技术在人体中的应用涉及复杂的伦理问题，包括知情同意、隐私保护和潜在的滥用风险，必须谨慎处理。考虑到基因编辑可能引入非目标基因表达或意外突变，其长期风险需持续监测和研究。为确保安全性和伦理性，所有基因编辑项目应经过严格的伦理审查，遵循国际伦理原则，并保持信息公开透明，及时向公众传达最新进展。各国政府和国际组织 应合作 制定统一标准和指南，指导该技术的负责任发展，并建立监督机制确保执行。特别强调患者同意的重要性，确保参与者充分理解风险与利益，并享有随时退出的权利。对于特殊群体，建议采用额外保护措施，如监护人共同决策。同时，提倡通过多种平台促进公众参与和社会对话，以提高社会对该技术的理解和支持，减少误解和恐慌。

通 过跨学科领域的合作研究，设计更加安全的靶 向方案 以及更加“智能”的执行方案，可以预见，其有潜力成为临床上神经调控的“金标准”。 作者 对其未来的发展和应用方向提出了展望：

1.个体化治疗：基于遗传学的神经调控技术有望实现更为精确的治疗方法，通过对热敏感分子的改进、基因编辑技术的发展以及更精细的递送系统，针对特定类型的神经元或神经回路进行高度精确调控。这将使得治疗更加个体化， 可以根据患者的基因型、病情特点和治疗反应量身定制治疗方案 ， 提高治疗效果和安全性，并减少副作用。

2.药物难治性神经系统疾病的治疗：该技术可以为神经系统疾病的治疗提供新的途径。通过恢复异常的神经元活动或修复受损的神经回路，可以改善各种神经系统疾病的症状和功能缺陷。可以为神经损伤和神经退行性疾病的康复提供新的策略。通过促进神经再生、改善神经元功能或重建受损的神经回路，有望恢复受影响区域的功能。

3.大脑解读与认知研究：基于遗传学的神经调控策略可以帮助我们更好地理解大脑的结构和功能。通过准确定位、操控和观察特定神经元或神经回路的活动，可以揭示认知过程、学习记忆机制等大脑功能的基本原理，理解各神经网络中各个组成部分之间的相互作用和调控机制，为相关疾病的治疗提供新的策略。

4.脑机接口与人机交互：生物遗传学的神经调控技术结合 脑机接口 技术，有望实现大脑与外部设备的无线通信和交互。这将打开全新的可能性，如以思维控制外部设备、增强人类认知能力等。

5.基于遗传学的设备需要精准复杂的电子设备、复杂的人工智能辅助软件以及用于电源和控制的外部能源供应，合理利用现有的发展完善的智能化设备，实现跨学科合作，对进一步推动新型数字化、精准靶向的诊疗设备的发展，在便捷的、精准可控的疾病诊疗中具有重要的意义。如今，各地的三甲医院远程异地 程控是 神经调控技术在互联网时代发展的必然。老龄化社会带来的挑战和人类对神经科学的认识深入，加上与之相伴的工程技术的飞速发展，作为交叉结晶的神经调控技术日新月异，更广泛地对临床和机制研究将拓展其适应症，并提高疗法的有效性。

该 工作得到 研究工作获得国家自然科学基金（ 82302406, 82472159, 52303186 ， 51773093 ），以及南京理工大学自主科研重大基础研究专项（ 30920041105 ）的大力支持。

来源：高分子科学前沿

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