可逆光热门控DNA纳米通道实现高时空精度神经调控新策略

本研究针对传统神经调控技术在高时空分辨率与基因编辑安全性之间的困境，开发了一种基于DNA纳米技术与非遗传策略的光热门控离子通道系统。通过构建金-四氧化三铁Janus纳米粒子（JNPs）与温敏DNA纳米通道（NCs）的复合体（NC-JNPs），实现了近红外光（808 nm）操控的离子跨膜运输，在背根神经节神经元中达成秒级精度的可逆调控，成功恢复了NaV1.7基因敲除小鼠的痛觉感知，为离子转运异常相关神经系统疾病提供了新型干预策略。

　　

人类神经系统由数百亿神经元构成复杂网络，以极高的时空精度执行神经生理活动。离子通道在神经元膜上介导动态离子跨膜运输，严格调控神经递质释放和信号转导等生理功能。然而，离子转运异常会导致瘫痪、癫痫和先天性痛觉不敏感等神经系统疾病。当前临床治疗主要通过药物或物理手段刺激生物离子通道以恢复正常离子转运，但小分子药物因离子通道结构相似性而缺乏亚型特异性，且存在代谢快、治疗精度有限等问题；侵入性物理神经调控方法如皮层内刺激（ICS）和深部脑刺激（DBS）虽具有高时空精度，但需手术植入电极，存在感染和术后并发症风险；非侵入性方法如经颅直流电刺激（tDCS）和经颅磁刺激（TMS）缺乏通道级靶向性，机制不明确且治疗范围有限。光遗传学作为革命性技术，通过基因表达光敏感蛋白并用可见光刺激，实现通道特异性神经调控，但其临床应用仍受不可预测的基因毒性和可见光组织穿透能力有限的安全性风险制约。因此，亟需探索具有分子级精度的非遗传神经调控策略来动态调节神经元功能。

为解决这一难题，研究人员开发了一种基于可逆光热门控DNA纳米通道的时空神经调控策略。该系统将温敏DNA纳米通道（NCs）与金-四氧化三铁Janus纳米粒子（JNPs）通过点击化学反应结合，构建成光热门控纳米通道（NC-JNPs）。JNPs作为局部近红外光热转换器，通过金-铁氧化物纳米粒子界面的电子转移增强近红外光热转换效率，实现对NCs的精准操控。NCs通过胆固醇修饰快速插入细胞膜，无需病毒感染，显著降低时间成本（约1小时）并提高调控效率。在808 nm激光照射下，NC-JNPs发生可逆构象变化，调控离子运输，增强背根神经节神经元兴奋性。该策略成功恢复了Na_V1.7-KO小鼠的痛觉感知，为干预离子转运障碍相关神经系统疾病提供了潜在非遗传调控策略。

研究团队运用多项关键技术：通过DNA折纸技术构建温敏纳米通道，采用透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）表征结构；合成金-四氧化三铁Janus纳米粒子作为光热转换器；利用点击化学反应构建NC-JNPs复合体；通过膜片钳技术记录神经元电生理活动；使用钙成像和离子荧光探针检测离子浓度变化；在Na_V1.7基因敲除小鼠模型中进行行为学测试和免疫荧光分析。研究使用的背根神经节神经元来自5-8周龄C57BL/6小鼠，Na_V1.7-KO小鼠购自GemPharmatech公司。

研究结果部分显示：

Construction and characterization of the reversible and photothermal-gated nanochannels

研究人员成功构建了筒状结构的DNA纳米通道（NCs），顶部带有可密封的盖链，理论熔解温度设计为40°C。凝胶电泳显示组装效率达86.5%，TEM和AFM显示NCs呈圆柱形，高度16.25±2.05 nm，外径4.28±0.71 nm，内径1.93±0.53 nm。FRET实验证实NCs具有温度响应性开闭特性，且在五个加热-冷却循环中保持稳定可重复。开发的Au-Fe₃O₄ Janus纳米粒子（JNPs）平均尺寸22.36±3.55 nm，在808 nm激光照射下光热转换效率达67.8%，显著高于金纳米球（42.5%）。通过点击化学反应将DBCO修饰的JNPs与N₃修饰的NCs结合形成NC-JNPs，荧光实验证明其具有近红外光响应性可逆门控特性。在负载SRB的小单室脂质体（SUVs）实验中，激光照射使NC-JNPs组荧光信号增加15%，证实其高效物质转运能力。

NC-JNPs as modulated targets for ion transport in neurons

NC-JNPs可高效插入ND7/23细胞膜，标记效率达98.4%。共聚焦图像显示NC-JNPs与细胞质膜共定位，膜停留时间至少6小时。在背根神经节神经元中，激光照射使NC-JNPs组细胞内Ca²⁺浓度显著增加，K⁺和Na⁺水平降低，Cl^-浓度不变。离子转运能力在插入后0.5、2、4和6小时保持稳定，表明至少6小时的调控时间窗口。

Dynamic regulation of neuronal excitability in DRG neurons

膜片钳记录显示，NC-JNPs+Laser组神经元显著去极化，动作电位发放频率增加，阈值电流降低。实时膜电位记录显示，30秒激光照射即可引起立即去极化甚至自发发放。周期激光照射可重复引起膜电位变化，秒级时间精度得到验证。体内实验显示，NC-JNPs+Laser组小鼠脊髓背角c-Fos表达显著增加，机械痛阈降低，自发疼痛行为增加。

Modulation of pain threshold in Na_V1.7-KO mice

在Na_V1.7-KO小鼠模型中，NC-JNPs注射到足底皮肤后与神经末梢共定位。808 nm激光照射（0.3 W/cm²）触发强烈伤害性行为（抬爪/舔爪），机械痛阈显著降低。免疫荧光显示脊髓背角c-Fos表达增加，证实疼痛信息传递。开阔场实验表明NC-JNPs和激光照射对小鼠运动活性无影响，血液生化数据显示14天后肝肾功能标志物和电解质水平无显著变化，ICP测量表明NC-JNPs通过肝肾途径逐渐清除。

研究结论表明，这种可逆光热门控纳米通道为高时空分辨率神经调控提供了有前景的工具和新策略。DNA纳米通道作为重要的非遗传调控靶点，通过简单共孵育1小时即可自发插入约98.4%的神经元，为分子尺度的神经调控提供靶点。精准光热门控实现秒级近红外光响应的动态离子转运和即时兴奋性变化，最终恢复Na_V1.7-KO小鼠的痛觉感知。该策略优势在于非遗传方式避免基因编辑风险、近红外光良好组织穿透性、纳米级空间精度和秒级时间分辨率，为离子转运障碍相关神经系统疾病干预提供新途径。未来通过整合蛋白质纳米孔和特定离子选择性化学构建块，可进一步提高离子选择性；通过添加适体、抗体等分子识别元件增强细胞类型特异性靶向；通过构建细胞表面网络结构或共价交联延长细胞膜停留时间，推动该神经调控策略的体内应用。