上转换纳米粒介导的近红外光遗传学技术对线虫运动的调控

论文摘要

光遗传学是利用光来精准调节细胞生理功能的技术,具有高度的时间和空间特异性。光遗传学技术依赖于两个要素:光和光敏感蛋白,目前已有的光敏感蛋白主要对可见光响应,但是可见光的组织穿透深度较低限制了光遗传学的广泛应用。近红外光（Near infrared,NIR）具有组织穿透深的特性,但是缺乏对NIR响应的光敏感蛋白,使其不能直接应用于光遗传学。应用上转换纳米粒（Upconversion nanoparticles,UCNPs）将NIR转换为可见光用于光遗传学调控,激活特定神经元引起信号转导具有很好的前景,但是针对动物运动行为调控的研究少有报道,且存在效应机制不明确等问题。在本文中,我们设计合成的808 nm激发UCNPs产生的绿色荧光,能有效激活在线虫不同神经元上表达的光敏蛋白Chrimson,实现对线虫运动的调控并对其机制进行探究。主要研究结果如下:（1）UCNPs的制备和表征。采用高温热分解法合成了Nd3+敏化的纳米粒。纳米粒粒径均一,大小约为26 nm,结晶性良好,为β相晶型。荧光光谱显示,UCNPs分别在379 nm、408 nm、522 nm、541 nm、655 nm处有发射峰,其中541 nm发射最强。荧光相比较传统980 nm激发的NaYF4:18%Yb,2%Er增强了63%。（2）UCNPs/NIR对线虫运动的调控。UCNPs+808 nm能够降低hpIs593线虫爬行速率,抑制身体弯曲。电生理测试结果表明,UCNPs+NIR激活表达Chrimson的抑制性神经元D-MNs,引起体壁肌肉动作电位发放频率降低,导致线虫瘫痪。游泳运动行为测试结果显示,UCNPs+NIR抑制hpIs593线虫游泳运动时身体的摆动频率,摆动周期从0.6 s延长至1.14 s。同时,UCNPs+NIR也能够激活表达Chrimson的兴奋性中间神经元DVC,引起体壁肌肉动作电位发放频率增加,激活线虫后退运动。（3）线虫对UCNPs的摄取和代谢。线虫体内的荧光强度在喂食UCNPs 12 h后达到饱和,48 h后UCNPs全部排出体外。荧光共定位和冷冻切片TEM结果表明,UCNPs主要分布在线虫肠道中,体内的UCNPs仍可以影响线虫的运动。（4）UCNPs的毒性研究。UCNPs短时接触和长期喂食都不会影响线虫的神经发育。分别从线虫体长、产卵量和寿命三方面评价UCNPs对线虫生长发育的长期毒性影响。结果表明,喂食UCNPs的线虫体长与正常条件下没有区别;产卵数量没有明显变化;随着浓度增加,线虫寿命略微缩短,但是没有显著性差异。本文研究表明,UCNPs/NIR体系可用于调节神经元活性,调控动物的运动行为,并在其它实验体系中有着广泛的应用前景,为后续光遗传学应用提供新的研究思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 光遗传学简介
•   1.2 上转换发光纳米粒的介绍
•   1.3 上转换纳米粒介导的光遗传学
•   1.4 课题研究意义及主要内容
• 2 上转换纳米粒的构建
•   2.1 引言
•   2.2 试剂与仪器
•   2.3 实验方法
•   2.4 结果与讨论
•   2.5 本章小结
• 3 上转换纳米粒介导的线虫运动调控
•   3.1 引言
•   3.2 实验部分
•   3.3 实验方法
•   3.4 结果与讨论
•   3.5 本章小结
• 4 上转换纳米粒对线虫的毒性研究
•   4.1 引言
•   4.2 实验部分
•   4.3 实验方法
•   4.4 结果与讨论
•   4.5 本章小结
• 5 全文总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 敖艳肖

导师: 张燕

关键词: 上转换纳米粒,近红外光,光遗传学,线虫,运动调控

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,化学,材料科学

单位: 华中科技大学

分类号: O657.3;TB383.1;Q34

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.003900

总页数: 78

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