新光触发技术实现细胞钙离子动态调控及动物行为操控
研究背景
钙（Ca2+）信号在调节细胞生理过程中起着重要作用，但迄今为止，对于细胞在外界刺激下产生过氧化氢（H2O2）并通过此激发内部钙离子动态的探索并不多见。本研究利用基于光催化剂的金属-有机框架（DCSA-MOFs）实现了对细胞、多细胞球体和器官中钙离子响应的调控。通过高效的光催化氧还原反应，DCSA-MOFs可以快速触发内质网中钙离子的释放，从而实现对细胞内钙离子动态的精确调控，进而在二维和三维细胞培养中传播细胞间钙离子波（ICW）。DCSA-MOFs诱导的ICW能够激活蝌蚪的光学轴索和脊髓青蛙大腿中的神经活动，引发相应的运动行为。
研究结果
本研究利用DCSA-MOFs实现了光催化产生H2O2，并触发细胞内钙离子释放及动物行为。通过设计13种不同结构和取代基的小分子，并评估它们的H2O2产生效率，最终确定了9,10-二（对-羧基苯乙烯）蒽（DCSA）作为导致H2O2产生的最佳光催化剂。DCSA与Zr6簇结合形成DCSA-MOFs，具有良好的负载效果和水分散性。在细胞内或神经元质膜上吸收DCSA-MOFs后，可通过可见光辐照，通过氧还原反应快速产生H2O2，从而激活IP3受体进行巯基氧化，使细胞内钙离子从内质网释放出来，而不会损伤细胞。单个细胞内钙离子响应的激活进一步导致了二维和三维细胞（共）培养中细胞间钙离子波（ICWs）的传播。此外，该系统还实现了对蝌蚪的光学轴索和脊髓青蛙大腿的远程光激活，引发相应的行为反应。
图1. 细胞内 Ca2+ 储存受 H2O2 调节而引起细胞 Ca2+ 反应的示意图。
(A) 设计了 13 种小分子有机光催化剂，并筛选出了光催化活性最高的先导化合物 IIIc。(B) IIIc 衍生物，即 9,10-二（对羧基苯乙烯基）蒽（DCSA），与 Zr6 团簇配位，构建出 DCSA-MOFs，具有高 DCSA 负载含量和优异的水分散性。(C) 光激发细胞 Ca2+ 响应和细胞间 Ca2+ 波的传播。光激发 DCSA-MOFs 可迅速从 H2O 和 O2 生成 H2O2，从而氧化靶细胞内质网（ER）中过表达的 IP3Rs 的硫醇基团，从而有效地亚细胞精确释放 Ca2+。受刺激的细胞进一步分泌细胞外 ATP，在三维细胞（共）培养物中传播 Ca2+ 波。IP3Rs，1,4,5-三磷酸肌醇受体；-SOH，亚硫酸；-SH，硫醇基团。(D) 光激活神经元和操纵动物行为。局部显微注射 DCSA-MOFs 后，光激发激活了构造神经元，并导致盲蝌蚪摆尾和脊髓蛙的抓取反应。
图2. 用膜相关 DCSA-MOFs 光激活视网膜神经元。
(A) 体外视神经构造示意图。白色箭头表示 DCSA-MOFs。Fluo-8 染色的神经元显示为绿色。(B 和 C）光激发引起 Ca2+ 反应。为了进行光激发，将红框中与膜相关的 DCSA-MOFs 暴露于来自 CLSM 的 488-nm 激光，激光功率 Plaser = (B) 1.36 mW 或 (C) 2.27 mW，持续 0.16 秒。红线勾勒的神经元体部每 5 分钟受到四次刺激。 (C) 光激发引发的 ICW 在构造神经元中传播。不同颜色的曲线表示相应线条标记的细胞的 Fluo-8 强度。刻度线，20 μm。(D 至 F）神经元在 405 纳米激光指示器照射下的电生理活动。(D）mEPSCs 轨迹。根据（D）计算的 30 秒内 mEPSC（E）频率和（F）振幅的平均值。紫条和白条分别表示有激光照射和无激光照射时的情况。
图3. 激光照射下 DCSA-MOFs 诱导的蝌蚪视觉回避行为。
(A和C）实验过程、激活的神经回路以及调节蝌蚪行为的装置。(B) 显微注射后 DCSA-MOF 在脑室中的分布。红色显示 DCSA-MOF。刻度线，1000 微米。(D) 从光学显微镜的延时视频中提取的快照，显示尾部在激光照射下的摇摆。箭头表示尾部。(E和F）蝌蚪在激光照射下的摇摆（E）潜伏期和（F）频率（n = 每组 6 只蝌蚪）。每只蝌蚪被照射三次。各点代表一个蝌蚪三次刺激的平均数据。***P < 0.001; ns, 无显著差异。OB，嗅球。
研究意义
这项研究提出了一种多功能的光学非基因调控技术，实现了对细胞和动物行为的远程、可重复和可控制的操控。通过光催化产生H2O2，可以高效地调控细胞内钙离子动态，并且不依赖于外源性H2O2供应，避免了不可控制的H2O2泄漏和“一直存在”的H2O2产生。这项技术有望在神经发育研究、免疫系统调节、中枢神经系统疾病治疗、钙介导的基因表达、生物活性物质分泌和钙超载诱导的癌症治疗等领域有广泛应用。因此，该研究为生物学研究和治疗提供了一种新的光学调控策略，具有重要的理论和应用价值。
来源： Zhang Z, Luo Y, Ma Y, Zhou Y, Zhu D, Shen W, Liu J. Photocatalytic manipulation of Ca2+ signaling for regulating cellular and animal behaviors via MOF-enabled H2O2 generation. Sci Adv. 2024 Apr 19;10(16):eadl0263. doi: 10.1126/sciadv.adl0263. Epub 2024 Apr 19. PMID: 38640246; PMCID: PMC11029810.
Abstract: The in situ generation of H2O2 in cells in response to external stimulation has exceptional advantages in modulating intracellular Ca2+ dynamics, including high controllability and biological safety, but has been rarely explored. Here, we develop photocatalyst-based metal-organic frameworks (DCSA-MOFs) to modulate Ca2+ responses in cells, multicellular spheroids, and organs. By virtue of the efficient photocatalytic oxygen reduction to H2O2 without sacrificial agents, photoexcited DCSA-MOFs can rapidly trigger Ca2+ outflow from the endoplasmic reticulum with single-cell precision in a repeatable and controllable manner, enabling the propagation of intercellular Ca2+ waves (ICW) over long distances in two-dimensional and three-dimensional cell cultures. After photoexcitation, ICWs induced by DCSA-MOFs can activate neural activities in the optical tectum of tadpoles and thighs of spinal frogs, eliciting the corresponding motor behaviors. Our study offers a versatile optical nongenetic modulation technique that enables remote, repeatable, and controlled manipulation of cellular and animal behaviors.
全文链接：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC11029810/