一种用于神经调控的光电转换纳米粒子及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米生物医学研究领域，涉及一种用于神经调控的光电转换纳米粒子及其制备方法和应用，即利用半导体T12在适当波长光照下产生电子空穴对，与T12连接的金纳米粒子作为光生电子受体，使T12产生的电子流动到金纳米粒子，与神经细胞表面的正电荷相互作用，使神经细胞去极化而达到神经调控的目的，可用于神经细胞功能的研究、神经疾病的治疗等方面。
【背景技术】
[0002]大脑是生命体内结构与功能最复杂的器官，多数脑部疾病的发病原因依然不为人们所知。确定与神经疾病相关的细胞群对疾病的治疗具有重大意义，而对单个神经细胞进行精准调控是精确解析脑神经细胞功能、确定发病原因的前提。因此，调控脑神经细胞活动的无损、精准远程控制技术，对神经细胞活动的研究和相关神经疾病的治疗具有极其重要的作用。在已有的神经调控技术中，光刺激是一种可远程调控细胞活动的方式，并且避免了电极刺激的侵入性和低特异性等缺点。例如，有文献报道可通过红外光产热对神经细胞进行刺激。光遗传学是一种光学神经调控的成熟技术，它将遗传工程与光学相结合，用于控制特定神经细胞的活动，为确定它们在调控脑部功能中的角色提供证据。然而，必需且繁杂的靶细胞基因修饰过程限制了光遗传学的广泛应用。
[0003]生命体的各种感觉和运动功能都是与之对应的神经细胞接收刺激后产生动作电位的结果。当传导过程受阻或失调的神经细胞产生异常神经兴奋时，便会发生运动障碍疾病。研究表明，刺激与疾病相关的脑部神经区域可以缓解症状。目前，主要的神经刺激方式是电极的深层脑部刺激，这种治疗技术已经在临床上用于治疗活动障碍神经疾病，例如帕金斯综合症。然而，电极的长期植入会对组织造成不可逆的损伤。
[0004]新兴的纳米机器人技术是制备零部件在纳米级别的机械或机器人，灵活的设计可赋予纳米机器人多样化的功能，在生物医学中有广泛应用。一些课题组已经尝试利用纳米机器人进行神经调控，例如，利用碳纳米角和金纳米粒子的光热效应进行神经细胞的刺激。最近，有科学家利用磁热Fe3O4纳米粒子进行深层脑部神经刺激。然而，这种利用热刺激的技术仅对热敏感的细胞(即表达有瞬态电压感受器阳离子通道(TRPVl)的细胞)起作用，极大地限制了其应用范围；另外，热辐射不可避免会对目标区域外的细胞产生刺激，从而极大地降低神经调控精确性。
【发明内容】
[0005]本发明的发明人经研究得出以下见解:大脑通过电方式和化学方式进行交流，而电方式是控制细胞功能最为直接、有效的方式。可产生电流的纳米机器人将直接对细胞进行刺激，会成为一种更通用和精确的神经调控方式。半导体在适当波长光照下可以产生电子-空穴对，但电子和空穴在纳秒内复合，无法形成定向电流。如果用贵金属纳米粒子修饰半导体，则贵金属纳米粒子不仅可以作为光生电子受体促进电子和空穴的分离，还可以通过表面等离子共振效应，使宽禁带半导体的吸收扩展到可见光区域。另外，T12纳米粒子和金纳米粒子由于其生物相容性，在生物医学领域受到越来越多的关注。
[0006]针对现有技术存在的问题以及基于发明人的以上见解，本发明的目的是提供一种用于神经调控的纳米材料，利用纳米材料的光电转换效应使神经细胞在电刺激下去极化，克服了利用热刺激方式进行神经调控的应用范围窄、精确性低及电极刺激侵入性的缺点，提供一种更通用、精确高效的神经调控技术。
[0007]一方面，本发明提供一种光电转换纳米粒子(简称NCs)，其包括亲水改性的T12纳米粒子、和连接于所述亲水改性的Ti02纳米粒子表面的金纳米粒子。
[0008]在特定波长(例如405nm)光激发下，NCs中的T12产生电子空穴对，其中电子流动到氧化钛表面的金纳米粒子上，当NCs粘附于神经细胞膜表面时，电子流会与神经细胞膜外的正电荷相互作用，使神经细胞迅速发生去极化。该光电转换纳米粒子具有以下特点:I)可在可见光(例如405nm光)照射下产生电流；2)由于Ti02纳米粒子和金纳米粒子均具有生物相容性，且T12纳米粒子进行了亲水化改性，因此其生物相容性良好，能有效使神经细胞发生去极化;3)在癫痫斑马鱼上表现出显著的抗癫痫治疗效果。综上所述，本发明是一种有望实现无损、精确调控神经的新技术，对未来更加精细的脑功能研究的实验设计和神经疾病的新型治疗技术的开发具有重要的借鉴意义。
[0009]较佳地，所述亲水改性的Ti02纳米粒子是巯基功能化聚乙二醇修饰的Ti02纳米粒子，所述金纳米粒子通过与所述巯基连接而连接于所述Ti02纳米粒子上。巯基功能化聚乙二醇一方面可以通过聚乙二醇对T12纳米粒子进行亲水改性，同时又可以提供表面官能团巯基修饰，从而使金纳米粒子连接于T i02纳米粒子上。
[0010]优选地，所述巯基功能化聚乙二醇是DSPE-PEG2(XX)-SHt3DSPE-PEG2(XX)-SH兼具了磷脂的两未性和PEG的未水尚分子特性，且带有疏基，从而易于对疏水性TiC>2纳米粒子进彳丁未水改性和提供表面官能团巯基修饰。
[0011]较佳地，所述T12纳米粒子为锐钛矿型。根据本发明，可以更为有效地产生电子空穴对。
[0012]较佳地，所述Ti02纳米粒子的平均直径为15?20nm。根据本发明，可以与金纳米粒子形成粒径较小核壳结构的纳米粒子。
[0013]较佳地，所述金纳米粒子的粒径小于5nm。根据本发明，可以较为均匀地分散在T i 02纳米粒子周围形成核壳结构的纳米粒子。
[0014]较佳地，Ti02纳米粒子与金纳米粒子的质量比为(6?10):1。根据本发明，可以较为有效地导出电子流。
[0015]另一方面，本发明还提供上述光电转换纳米粒子的制备方法，包括以下步骤:
(1)采用高温热解法制备疏水T12纳米粒子；
(2)用巯基功能化聚乙二醇对疏水T12纳米粒子进行改性和修饰；
(3)使金纳米粒子连接到巯基功能化聚乙二醇的巯基上而连接到Ti02纳米粒子表面。
[0016]本发明的制备方法简单易行、成本低、效率高，低污染且重复性好，可以进行大规模应用。
[0017]较佳地，步骤(2)包括:在疏水T12纳米颗粒的氯仿溶液中，加入一定浓度的DSPE-PEG2qqq-SH氯仿溶液，然后旋转蒸发，再用水清洗。
[0018]较佳地，步骤(3)包括:将金纳米粒子水溶液加入经巯基功能化聚乙二醇改性的T12纳米粒子水溶液中，搅拌一段时间后，进行离心清洗。
[0019]再一方面，本发明还提供上述光电转换纳米粒子在制备神经调控剂中的应用。
[0020]本发明的光电转换纳米材料，在405nm光照下产生光电流，可有效使神经细胞去极化，在癫痫斑马鱼上表现显著的抗癫痫治疗效果。与传统的刺激方式相比，具有无损、精确性高、响应时间快的优点。该技术可用于更加精细的脑功能实验研究和部分神经疾病的高效治疗。
【附图说明】
[0021]图1为本发明实施例1所制得的T12疏水纳米颗粒分散于环己烷中的透射电镜(TEM)照片;
图2为本发明实施例1所制得的T12纳米颗粒的XRD图谱；
图3为本发明实施例1所制得的Au纳米颗粒分散于水中的透射电镜(TEM)照片；
图4为本发明实施例1所制得的NCs的分散于水中的透射电镜(TEM)照片；
图5为本发明实施例1所制得的NCs的紫外可见吸收光谱；
图6为本发明实施例1所制得的NCs的在间歇405nm光照下的1-t曲线；
图7为本发明实施例1所制得的NCs的细胞毒性实验结果，每一组柱状图中，左边指NCs，右边指NCs+405nm光照；
图8为本发明实施例1所制得的NCs使细胞去极化过程中的细胞电位成像(125yg/mL):(a)细胞膜电位荧光染料的实时荧光强度变化；(b)细胞膜电位荧光染料的最大荧光强度变化；
图9为本发明实施例1所制得的NCs使细胞去极化过程中的钙离子荧光成像(125yg/mL): (a)钙离子荧光染料的实时荧光强度变化;(b)钙离子荧光染料的最大荧光强度变化；
图10为本发明实施例1所制得的NCs在细胞上的吞噬情况:a-d分别为培养30min，Ih，2h，4h的结果，第一到四列分别为DAPI的荧光，FITC的荧光，亮场图像和融合图像；
图11为本发明实施例1所制得的NCs在斑马鱼上进行抗癫痫作用评价时各组斑马鱼的运动轨迹图:(a)正常斑马鱼Ih内的运动轨迹；(b)癫痫斑马鱼注射PBS后Ih内的运动轨迹；(c)癫痫斑马鱼注射NCs后Ih的运动轨迹；(d)癫痫斑马鱼进行405nm光照射2min后Ih内的运动轨迹；(e)癫痫斑马鱼注射NCs并进行405nm光照射2min后Ih内的运动轨迹，(黑色线(参见(a)中的点状线)代表运动速度小于4mm/sec的慢速运动轨迹，绿色线(参见图中圆圈的背景色)代表运动速度大于4mm/sec小于20mm/sec的中速运动轨迹，红色线(参见(c)中颜色最深的线)代表运动速度大于20mm/sec快速运动轨迹)；
图12为本发明实施例1所制得的NCs在斑马鱼上进行抗癫痫作用评价时各组斑马鱼