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生物通报道：光遗传学是一项整合了光学、基因操作技术、电生理等多学科交叉的具有高度时空特异性、低毒性的生物工程技术.目前已经实现了从时空上控制细胞活动并用于疾病的治疗.近期来自华东师范大学生命科学学院的研究人员重点介绍了近些年光遗传学装置在生物医学上的应用,阐明光遗传装置用于疾病治疗的构建和机制. 此外,他们还简要探讨了光控基因装置在实际临床治疗应用中的前景和挑战。

近几年来,随着分子生物学的不断发展,合成生物学取得了巨大的进展.作为合成生物学重要分支的。

哺乳动物细胞合成生物学,在疾病诊断治疗、生物计算机和基因编辑等方面取得了巨大的突破.例如,人工设计、合成闭环式基因环路实现对代谢性疾病的诊疗一体化治疗,人工设计、合成的与门逻辑计算环路用于鉴定膀胱癌细胞,人工设计、合成的肿瘤细胞分选器以及安全小分子化学物质、光、微波调控基因表达治疗代谢性疾病等。

作为具有高度时空特异性、无毒副作用的光遗传学(optogenetics)装置,引起了广大学者的兴趣.目前,神经领域的科学家们使用光遗传学工具已经取得了一定的进展.此外,科学家们还开发了蓝光、红光、紫外光和近红外光诱导的多个光遗传学装置,包括跨膜感光受体视黑素(melanopsin)系统、 LOV(light-oxygen-voltage) 系统 、 CRY2/CIB1(cryptochrome2/cryptochrome-interactingbasic-helix-loop-helix) 系统、 BLUF(bluelightusingFAD)系统、植物光敏素(plantphytochromes)系统、隐花色素系统(cryptochromes)、细菌光敏色素系统等.这些光遗传学装置应用于基因编辑、内源基因激活、控制细胞器运动、生物医学等领域。

作者指出，随着哺乳动物合成生物学的快速发展,在治疗各类疾病方面,科学家们已经巧妙地设计出多种哺乳动物基因环路,如化学调控治疗代谢疾病的基因环路、微波调控治疗糖尿病的基因环路、抗高血压药物调控治疗代谢综合征的基因环路等.这些研究从一定程度上为治疗人类疾病提供了新思路和新方法。

相比于药物或微波等调控的基因环路,光遗传学不仅在时空上控制基因表达有着明显的优势,而且具有良好的可逆性、低毒性等优势. 因此,在未来用于疾病治疗上具有更明显的优势. 但是,光控基因装置也同样存在着一些问题,例如,蓝光的皮肤穿透性差,从而大大限制了其在疾病治疗上的限制。

目前,为了解决这一问体,科学家们也已经或正在开发一些组织光透性较好的光源用来调控基因的表达,相信在不久的将来,光遗传学在疾病治疗中会有更广泛的应用. 此外,光控基因环路和其他调控环路有着相同的问题,如植入人体内工程化细胞的安全性问题. 目前,对于此方面的安全的问题,已有了一些解决措施,例如,使用微胶囊包裹工程化细胞移植到体内,使得细胞固定在胶囊中不发生扩散,也可以避免异源细胞和机体免疫细胞直接接触,因此具有较好的免疫保护作用,另外,还有一些改造患者自身的细胞或诱导多功能干细胞(inducedpluripotentstemcells,iPScells)疗法等,这些都能防止机体的免疫排斥和和细胞癌化。