可逆光热门控DNA纳米通道实现时空精准神经调控新策略

针对神经疾病干预中时空精度与基因编辑安全性难以兼顾的难题，研究人员开发了基于金-四氧化三铁Janus纳米粒子（JNPs）与温敏DNA纳米通道（NCs）耦合的NC-JNPs系统。该技术通过近红外光控实现秒级离子传输调控，增强背根神经节神经元兴奋性，并成功恢复Nav1.7敲除小鼠痛觉感知，为离子转运异常相关神经疾病提供了非基因编辑的精准干预方案。

　　

在人类神经系统的精密网络中，数十亿神经元通过复杂连接实现着高等神经活动，其中离子通道介导的跨膜离子传输犹如交响乐团的指挥棒，精确调控着神经兴奋性与信号传递。当离子转运出现异常时，便会引发瘫痪、癫痫、先天性痛觉不敏感等严重神经疾病。当前临床治疗主要依赖药物干预和物理神经调控，但小分子药物存在靶向性差、代谢快等问题，而深部脑刺激等物理方法则需要植入电极，伴随感染和术后并发症风险。革命性的光遗传学技术虽能实现通道特异性调控，却面临基因毒性不可预测和可见光组织穿透力有限的双重局限。

针对这一困境，来自同济大学的研究团队在《Cell Biomaterials》发表了创新性研究成果，通过融合DNA纳米技术与近红外光热转化材料，开发出一种非基因编辑的时空精准神经调控策略。该研究巧妙设计了具有温度响应特性的DNA纳米通道（NCs），其顶端可逆的盖状结构能在40°C阈值温度发生构象变化；同时构建金-四氧化三铁Janus纳米粒子（JNPs），利用金-铁氧化物界面电子转移效应显著增强近红外光热转化效率（达67.8%）。通过点击化学反应将二者耦联形成的NC-JNPs系统，在胆固醇修饰辅助下可高效锚定神经元膜（标记率达98.4%），实现近红外光控的离子传输精准调控。

研究团队主要采用以下技术方法：通过DNA自组装技术构建温敏型纳米通道，利用紫外-可见-近红外光谱和透射电镜表征材料特性；采用FRET技术验证通道开闭动力学；通过膜片钳技术记录神经元电生理特性；使用Nav1.7 heterozygous knockout小鼠模型进行痛觉行为学测试；采用免疫荧光分析神经激活标志物c-Fos表达。

研究结果方面：

在"可逆光热门控纳米通道的构建与表征"部分，研究者通过凝胶电泳证实NCs组装效率达86.5%，AFM/TEM显示其具有16.25±2.05 nm高度和1.93±0.53 nm内径。FRET实验表明NCs在温度周期变化中呈现可逆开闭特性，JNPs相比单一金或四氧化三铁纳米颗粒展现出显著增强的光热效应。脂质体模型实验证实NC-JNPs在激光照射下可实现15%的磺基罗丹明B释放，且具有三次循环稳定性。

在"NC-JNPs作为神经元离子传输调控靶点"部分，共聚焦成像显示NC-JNPs与细胞膜共定位良好，膜保留时间达6小时。离子成像表明激光激活的NC-JNPs可引起背根神经节神经元内钙离子浓度显著升高，钾、钠离子浓度降低，而氯离子无变化，证实其对阳离子传输的特异性调控。

在"背根神经节神经元兴奋性的动态调控"部分，膜片钳实验发现NC-JNPs+Laser组神经元静息膜电位去极化显著，动作电位发放频率增加，阈值电流降低。实时记录显示30秒激光照射即可诱发膜电位去极化甚至自发放电，且具有秒级响应和周期可逆特性。

在"Nav1.7敲除小鼠痛阈调控"部分，动物实验表明NC-JNPs注射结合808 nm激光（0.3 W/cm²，1分钟）可有效恢复基因敲除小鼠的机械痛觉敏感性，引发抬爪/舔足行为。免疫荧光显示脊髓背角c-Fos表达增强，开放场实验证实无运动功能影响，血液生化及ICP检测证明材料具有良好的生物相容性和代谢安全性。

该研究成功构建了具有纳米级空间精度和秒级时间分辨率的神经调控新范式，通过近红外光控DNA纳米通道实现对离子传输的动态精准调控。不仅为先天性痛觉不敏感等神经疾病提供了非基因编辑的治疗思路，更拓展了DNA纳米技术在生物医学中的应用边界。研究者特别指出，未来通过整合蛋白质纳米孔和离子选择性化学元件，有望进一步提升特定离子传输的选择性；而通过适配体修饰等技术增强细胞靶向性，将推动该策略向临床转化迈出关键步伐。这种融合纳米技术、光热转换与合成生物学的多学科交叉方法，为开发下一代精准医疗技术提供了重要借鉴。