原创长光所Light中心中国光学收录于话题#光遗传学2#生物医学光子学10
撰稿
顾明潇（东京大学硕士研究生）
指导教师
陈硕（加州大学伯克利分校博士后年《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”）
你的身体器官是如何感受到疼痛的？
19世纪末，德国生理学家MaximilianvonFrey提出了痛觉源于游离神经末梢的概念。随后，英国病理学家CharlesScottSherrington爵士通过刺激传入神经的感受野从而触发疼痛的实验首次发现特异性的痛觉感受器并提出了“伤害感受器”这一概念。
当伤害感受器受到有害刺激被激活时，除了引发疼痛以外，伤害感受器还会通过改变毛细血管管壁的通透性以及影响血液的流动从而引发神经源性炎症。然而，伤害感受器是否与免疫系统相互作用仍是个未解之谜。
图源：Veer
近日,洛桑联邦理工学院、哈佛医学院、医院与苏黎世联邦理工学院等团队里的研究人员，通过运用自主研发的可操控无线光电设备对小鼠末梢神经上的伤害感受器进行特异性的光遗传调控，在诱发了保护性疼痛行为的同时，引发了炎症，从而揭示了伤害感受器与免疫细胞之间存在的潜在联系。这项成果于9月21日以“Epineuraloptogeneticactivationofnociceptorsinitiatesandamplifiesinflammation”为题发表在NatureBiotechnology。
图1对表达有ChR2的伤害感受器的特异性光遗传调控可同时引发疼痛与皮肤炎症
图源：Epineuraloptogeneticactivationofnociceptorsinitiatesandamplifiesinflammation.
NatBiotechnol().Fig.1a
自光遗传学的诞生开始，这项技术就立即成为了神经科学家们追捧的新宠儿并引发了神经科学研究方式的巨大变革。光遗传学在时空分辨率和细胞类型特异性等特点上具有得天独厚的优势，克服了神经科学研究中曾经所拥有的细胞操控特异性差或难以实时精准操控生物体活动等诸多缺点。
通过广泛地运用光遗传学，神经科学家们实现了对经过DNA重组与修饰后的神经细胞的精准及时的特异性调控，从而能够更加深入且彻底地探究特定神经细胞的功能以及与神经网络中其他类型的神经细胞的联系。时至今日，光遗传学仍被大量地运用于中枢神经系统的研究，而在末梢神经系统的研究中却几乎处于一片空白。
为了实现在末梢神经进行长期且稳定的光遗传操控，通过结合材料科学、电子工程学以及神经科学的相关技术与理论，研究人员设计了一套用于小鼠的可远程编程操控的穿戴式无线光电系统，从而实现了对自由活动中的小鼠的特定的末梢神经进行多次重复且精准的光刺激。该装置主要由以下四部分构成：
1）折叠于坐骨神经周围且具有高契合度的环绕型高效微型LED阵列
2）用于连接微型LED与皮下线缆并削弱局部运动的影响的可伸缩纽带
3）经皮下延伸至头戴式连接器的双线电缆
4）集成了多通道刺激、一米以内的无线通讯与蓝牙操控以及锂电池自主供电等功能的轻便紧凑型头戴式控制设备
图2由微型LED阵列组成的无线光电调控设备
图源：Epineuraloptogeneticactivationofnociceptorsinitiatesandamplifiesinflammation.
NatBiotechnol().Fig.1d
随后，研究人员对上述无线光电系统进行了活体植入安全性的检测中并将微型LED与皮下线缆植入到了小鼠体内。研究人员可以通过蓝牙接入设备获取系统的实时状态信息并发送远程指令实现对自由活动小鼠的光遗传刺激与调控。术后的跟踪观察与组织学分析显示被植入的微型LED阵列与线缆并未引发严重的组织变形或排异反应，从而展现了该无线光电系统被植入部分良好的生物兼容性以及整个系统被用于神经生物学实验的可行性。
图3无线光电系统活体植入与运行示意图
图源：Epineuraloptogeneticactivationofnociceptorsinitiatesandamplifiesinflammation.
NatBiotechnol().Fig.1c
在接下来的活体实验中，研究人员选取了能在痛觉传入神经上特异性表达通道视紫红质蛋白-2（Channelrhodopsin-2）的转基因小鼠（TRPV1-Cre::ChR2）并将无线光电调控设备植入小鼠体内。当研究人员对痛觉传入神经轴突进行光刺激时，诱发了自由活动的小鼠表现出带有疼痛特征的行为，预示着通过光刺激产生的疼痛信号通过轴突顺向传入了脊髓。
有趣的是，光刺激在激活伤害感受器并产生疼痛的同时，也在原本健康的小鼠的同侧后爪诱发了代表炎症的红肿，并且由于伤害感受器周围神经末端的逆向活化，导致已存在的炎症得到进一步的恶化。进一步分析发现，光刺激后诱发的炎症患处的免疫细胞数量都显著增加，预示着光刺激同样也引发了应对炎症的免疫反应。
这个实验结果清楚地揭示了伤害感受器与免疫系统之间一直以来不为人知的紧密联系与相互作用，并对未来关于疼痛产生的理解以及炎症的治疗产生了深远的影响。该结论如果进一步得以证实，疼痛领域的基础理论将被进一步丰富。对于临床治疗上出现的所谓“炎症性疼痛”，医生在为病人止痛时的着眼点或将不再局限于消除炎症，阻断伤害感受器信号的进一步传入也为治疗提供了一个新的选择。
此外，由联合课题组研发的新型无线光电操控系统不仅对传统的光遗传学操控手段在无线化以及可远程操控性上做出了改良，更重要的是这项技术首次着眼于末梢神经系统，克服了末梢神经研究曾经存在的困难，提出了一种全新的具有高亲和度与巨大改良空间的用于操控末梢神经系统的光遗传技术手段，并为今后对神经末梢系统的进一步研究打下了潜在的技术基础，同时也保留着未来将其运用于人类自身的医疗健康领域的巨大可能性。
文章信息
Michoud,F.,Seehus,C.,Schnle,P.etal.Epineuraloptogeneticactivationofnociceptorsinitiatesandamplifiesinflammation.NatBiotechnol().
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