日前，中國科大學(xué)上海先進(jìn)技術(shù)研究院鄭海榮課題組和四川學(xué)院醫(yī)大學(xué)李月舟課題組合作，在Nano刊物發(fā)表了題為ofofMscL的研究論文。該項(xiàng)研究將超聲幅射力和機(jī)械敏感性離子通道結(jié)合上去，首次在神經(jīng)元上通過超聲剌激激活機(jī)械敏感性離子通道，并借以精確控制神經(jīng)元的激動性。該成果開拓了超聲在骨科學(xué)研究中的新方向，為超聲遺傳學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
近些年來盛行的光遺傳學(xué)技術(shù)，被稱為是21世紀(jì)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域最引人注目的革新，在猴、鼠、果蠅、線蟲等模式生物中得到廣泛應(yīng)用。其主要原理是采用基因操作技術(shù)將真菌的光敏感蛋白轉(zhuǎn)到到特定類型的神經(jīng)元中進(jìn)行抒發(fā)，并通過不同波長的光照剌激光敏感蛋白，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞膜兩側(cè)的膜電位發(fā)生變化，達(dá)到對細(xì)胞選擇性地激動或則抑制的目的。并且在喂奶植物中，光遺傳學(xué)技術(shù)須要通過枕骨放療將特定波長的光線引入腦中，這些外傷性為其在活體的應(yīng)用帶來一定的局限。為此，越來越多的研究人員將眼神轉(zhuǎn)向無損傷的方式，例如通過超聲，可以無損傷地穿透深入腦部或其他組織內(nèi)部，而且可以通過聚焦獲得精確定位。
因?yàn)榧?xì)胞對超聲的響應(yīng)能力有限，為了達(dá)到通過超聲精確控制神經(jīng)元的目的，須要找到一種介質(zhì)既可以挺好地響應(yīng)超聲剌激細(xì)胞膜選擇性通透，又可以在神經(jīng)元抒發(fā)并賦于神經(jīng)元靈敏的超聲敏感性。考慮到超聲的機(jī)械效應(yīng)，機(jī)械敏感性離子通道是一個挺好的選擇。機(jī)械敏感性離子通道是近些年來發(fā)覺的一種新型離子通道，有別于傳統(tǒng)的電壓敏感，以及卟啉門控類型的離子通道，它體會細(xì)胞形變等方法造成的膜張力的變化而開放，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外離子的跨膜運(yùn)輸，參與介導(dǎo)諸多的生命活動，其功能愈來愈遭到注重。李月舟課題組常年以來旨在于機(jī)械敏感性離子通道開放機(jī)制和功能研究，鄭海榮課題組把握了奇特的超聲幅射力神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，在超聲神經(jīng)調(diào)控儀器研發(fā)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，三者的合作促使了該項(xiàng)研究。
實(shí)驗(yàn)中，課題組選擇了來自真菌的機(jī)械敏感性離子通道MscL。MscL具有作為納米開關(guān)的天然優(yōu)勢。它結(jié)構(gòu)簡單，只有136個多肽，容易在真核生物抒發(fā)；它自身可以直接被膜張力所激活，但是不須要其它成份的參與；它開放產(chǎn)生30埃左右的巨大孔徑，通透效率高；它不和其它蛋白互相作用，不會干擾細(xì)胞的其它功能。課題組首先建立了重組MscL基因的病毒，之后通過病毒感染在原代培養(yǎng)的小鼠神經(jīng)元中抒發(fā)MscL通道。結(jié)果表明MscL可以在神經(jīng)元上功能性抒發(fā)，并對機(jī)械剌激保持敏感（圖2）。
在基金委重大科研儀器支持下，鄭海榮課題組設(shè)計(jì)開發(fā)了一系列跨尺度超聲神經(jīng)調(diào)控工具（圖3）。超聲幅射力神經(jīng)剌激芯設(shè)計(jì)基于不同外頻叉指換能器指條長度、形狀、對數(shù)和聲孔徑規(guī)格，通過標(biāo)準(zhǔn)微納加工技術(shù)光刻，濺射叉指換能器電極，制備微型聲場可調(diào)超聲神經(jīng)剌激芯片細(xì)胞膜選擇性通透，形成高硬度局域聲場及超聲幅射力可有效作用于神經(jīng)元細(xì)胞。該芯片可與鈣成像、膜片鉗等生物學(xué)手段相兼容，實(shí)時檢測超聲誘發(fā)的生物效應(yīng)，為超聲神經(jīng)調(diào)控醫(yī)治神經(jīng)類疾患提供基礎(chǔ)和理論根據(jù)。同時研發(fā)的植物超聲神經(jīng)剌激系統(tǒng)可對深部腦核團(tuán)和神經(jīng)支路舉辦無創(chuàng)、動態(tài)和網(wǎng)路式的神經(jīng)剌激與調(diào)控。該技術(shù)和工具的研發(fā)可在腦疾患的研究、神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)研究及其相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)廣泛應(yīng)用。該研究結(jié)果為后續(xù)的活體超聲遺傳學(xué)奠定了基礎(chǔ)，并有望通過進(jìn)一步開發(fā)的多面陣、多焦點(diǎn)的深部腦剌激超聲調(diào)控儀器解析神經(jīng)支路，并對癲癇癥、抑郁癥等腦疾患提供新的研究，甚至是醫(yī)治的有效新工具。
山西學(xué)院醫(yī)大學(xué)博士生葉佳、唐思陽，以及上海先進(jìn)院副研究員孟龍是論文的第一作者，鄭海榮和李月舟是論文的通信作者。參與該工作的還有湖北學(xué)院醫(yī)大學(xué)院士段樹民、胡海嵐、李相堯，山西學(xué)院附屬兒童診所主任舒強(qiáng)、教授炒米足、尚世強(qiáng)，上海先進(jìn)院副研究員牛麗麗、研究員邱維寶。該研究得到國家自然科學(xué)基金（，，）、科技部“973”計(jì)劃（）等項(xiàng)目的捐助。
圖1:超聲剌激導(dǎo)致抒發(fā)于神經(jīng)元的機(jī)械敏感性離子通道MscL（圖中藍(lán)色所示）的開放，致使離子跨膜運(yùn)輸（圖中綠色箭頭所示），改變神經(jīng)元膜電位，誘發(fā)神經(jīng)沖動（圖中藍(lán)色所示動作電位）
圖2：通過病毒感染技術(shù)在原代培養(yǎng)的神經(jīng)元上抒發(fā)的機(jī)械敏感性離子通道MscL具有完整的功能，可用挺好的響應(yīng)機(jī)械剌激
圖3：（a）超聲神經(jīng)剌激芯片以及（b）小昆蟲超聲剌激系統(tǒng)