中美学者用光遥控免疫系统来抗癌

【字体: 时间:2016年02月05日 来源:生物通

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  最近在《eLife》发表的一项研究中,中美科学家对光遗传学技术进行修改,提出了一种称为光遗传学免疫调节的方法,用光来控制免疫系统,并诱导其对抗癌症。

  

生物通报道:免疫疗法是癌症研究的一个热门领域。毕竟,利用人体自身的细胞来对抗癌症,比起对整个系统产生损害的有毒化学物质,更为有效和更加低创。

美国德克萨斯A&M大学(Texas A&M University)健康科学中心生物科学与技术学院助理教授Yubin Zhou博士,致力于研究如何用光来控制免疫系统,并诱导其对抗癌症。Zhou博士2003年6月毕业于浙江大学医学院,2007年在美国乔治亚州立大学获博士学位,曾在La Jolla研究所和哈佛医学院从事研究工作。他说:“虽然神经系统科学家很早就用光来刺激神经元,但这是第一次将称为光遗传学的技术,应用于免疫系统。”在神经科学中,这个过程涉及基因工程细胞,用光敏微生物产生蛋白,并使神经细胞暴露于一种特定颜色的光时,会发送或停止发送神经冲动。Zhou说:“使用该技术,神经科学家已经了解了关于脑电路的许多信息,现在其它许多领域的研究人员正在做这样的尝试。”

在过去的一年里,光遗传学技术与CRISPR等技术一起,成为生命科学领域的热门技术(2015重大技术进展:CRISPR、光遗传学)。并被《Nature Methods》评选为2016年最值得关注的几项技术之一《自然》2016热点技术—精准光遗传学)。Zhou和他的合作者已经修改了这项技术用于免疫系统。这不是一件容易的事:与神经细胞不同,免疫细胞不使用微小的电脉冲来交流。此外,免疫细胞在身体深处,并不断地移动,所以光可能很难到达它们。

这一发展采取了一些独创性和合作。Zhou说:“我们与麻省大学医学院的Gang Han博士合作,他致力于生物纳米技术和光医学发展。同时,我们能够将国家最先进的光遗传学方法与尖端纳米技术结合起来。”这种方法称为光遗传学免疫调节,相关结果发表在最近《eLife》。北京师范大学的王友军教授也是本文共同作者。

Zhou说:“这项工作是由实验室的优秀科学家完成的:研究生Lian He、Peng Tan,博士后Guolin Ma博士,他们勇敢地承担了这项艰巨的工程,克服了所有的具有挑战性的障碍,使这种技术变成现实。”

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用这种方法,研究人员可以控制免疫细胞的作用,并“指导”它们杀死癌细胞。他们使用近红外激光束——可以穿透到深处,在本研究中,意味着深入到组织内一两厘米的深度,在那里,一个纳米粒子把近红外光变成蓝光,并指导基因工程免疫细胞的活动。Zhou说:“我们能够以无线方式控制深埋在组织中的免疫细胞的作用。”

该研究小组通过基因工程设计了免疫细胞,使一种钙调节蛋白变得对光敏感。当它们接触到纳米颗粒发出的蓝光时,其钙离子门打开。当切断光线时,钙离子门关闭。更多的光会导致更大的钙离子流,所以研究人员能够很好地调节免疫细胞的钙依赖性行为,对抗入侵的病原体或肿瘤细胞。

当向一个动物肿瘤模型注射纳米粒子和感光基因工程免疫细胞后,近红外激光束可引起钙通道打开,这将提高免疫反应帮助杀死癌细胞。Zhou说:“该技术降低了肿瘤大小和转移,因此有很多的应用价值。”

这种方法的一个优点是,它只会激活某些类型的免疫细胞、树突状细胞或T细胞,只在身体的一部分,靠近引流淋巴结或肿瘤,这有助于减少化疗中经常见到的副作用。它也是光可调的、非侵入性的,并且具有很高的时间分辨率,换句话说,当需要时它可以打开,当不需要时它可以关闭。

这项研究的影响是深远的。Zhou说:“其他科学家将可能使用这种技术,帮助他们研究免疫、心脏和其他类型的细胞——它们使用钙来执行任务。这是一项相当酷的技术。有了这些工具,我们现在不仅可以解决我们以前从未解决的基本科学问题,也可以将它转化到诊所用于疾病干预。”

同时,Zhou的实验室已经应用这种技术,构建了一种方法来更有效地筛选潜在的抗癌药物。Zhou说:“如果成功的话,所有这些努力将能显著改善当前的癌症免疫疗法,将个性化治疗精确到何时和哪里需要,同时减少副作用。”

(生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:
Near-infrared photoactivatable control of Ca2+ signaling and optogenetic immunomodulation
Abstract: The application of current channelrhodopsin-based optogenetic tools is limited by the lack of strict ion selectivity and the inability to extend the spectra sensitivity into the near-infrared (NIR) tissue transmissible range. Here we present an NIR-stimulable optogenetic platform (termed 'Opto-CRAC') that selectively and remotely controls Ca2+ oscillations and Ca2+-responsive gene expression to regulate the function of non-excitable cells, including T lymphocytes, macrophages and dendritic cells. When coupled to upconversion nanoparticles, the optogenetic operation window is shifted from the visible range to NIR wavelengths to enable wireless photoactivation of Ca2+-dependent signaling and optogenetic modulation of immunoinflammatory responses. In a mouse model of melanoma by using ovalbumin as surrogate tumor antigen, Opto-CRAC has been shown to act as a genetically-encoded 'photoactivatable adjuvant' to improve antigen-specific immune responses to specifically destruct tumor cells. Our study represents a solid step forward towards the goal of achieving remote and wireless control of Ca2+-modulated activities with tailored function.

 

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