【Adv.Mater.】无重金属，上转化纳米粒子助力光遗传学研究

总结

本文首次报告了一种基于无重金属的热激活延迟荧光（TADF）材料的上转化（UC）纳米粒子，用于体内光遗传学研究（optogenetics）。

摘要

上转化（UC）技术能够将红外或近红外光转换为蓝光，对于体内光遗传学研究具有重要意义。然而，此前的体内光遗传学研究主要依赖于含有镧系元素的上转化纳米粒子，缺乏不含重金属的材料。本研究首次展示了使用生物相容的无重金属TADF光合型上转化纳米乳液进行体内光遗传学研究的例子。研究者们开发了一种新型有机TADF感光剂，它能够促进系间穿越到激发三重态，显著提高了TTA-UC效率。通过使用生物相容的表面活性剂和油酸甲酯，形成的TTA-UC纳米粒子获得了水溶性和抗氧化能力。结合使用对蓝光敏感的光激活型Cre-重组酶（PA-Cre）及基因工程技术，TTA-UC纳米粒子在体外和体内神经元中促进了Cre-EGFP荧光蛋白的表达。

细节

TADF分子设计

a) TADF 感光剂 S1 和 S2 的化学结构和分子轨道。

光谱特性

a）S1（黑色）、S2（红色）和 TTBP（蓝色）的光谱（[S1] = 20 µM，λex = 590 nm；[S2] = 20 µM，λex = 630 nm；[TTBP] = 100 µM，λex = 414 nm）。 b) S1、S2 和 TTBP 的激发单线（S1）和三线（T1）能级。 S1、S2 和 TTBP 的 S1 能级是根据室温下荧光的峰值波长确定的。 S1 和 S2 的 T1 能级是根据磷光（77K）光谱的峰值波长确定的。 TTBP 的 T1 能级已在之前的研究中报告过。c) 不同浓度下 S2 的发光淬灭实验（[S2] = 200 µM，λex = 630 nm，λdetection = 760 nm）。 τ0 和 τ 分别是敏化剂在没有发射体和有发射体的情况下的延迟荧光寿命。

TTA-UC的光谱特性

a) S1/TTBP 和 S2/TTBP 的 TTA-UC 光谱。 插图： b) 不同激发强度下的 TTA-UC 效率。 c) 485 纳米波长下 TTA-UC 强度的激发强度依赖性（[S1 或 S2] = 200 µM，[TTBP] = 20 mM 于脱气氯仿中，λex = 724 纳米波长，610 纳米短通滤波器）。

a) 油酸甲酯 (MO) 的化学结构。 b) S2 在氯仿（黑色，[S2] = 20 µM，λex = 630 nm）或油酸甲酯（蓝色，[S2] = 20 µM，λex = 600 nm）中的吸收（实线）和光致发光（虚线）光谱。c) S2/TTBP 在不同浓度下的荧光淬灭实验（[S2] = 200 µM，λex = 600 nm，λdetection = 700 nm）。 插图：相应的基于寿命的 Stern-Volmer 图。

a) 在氩气条件下，从 0.17 mW cm-2 到 1.3 × 105 mW cm-2 的不同激发强度下的 TTA-UC 光谱；b) 不同激发强度下的 TTA-UC 效率；c) 485 纳米波长处 TTA-UC 强度的激发强度依赖性（[S2] = 200 µM，[TTBP] = 20 mM 于油酸甲酯中，λex = 635 纳米波长，610 纳米波长短通滤波器）。

上转化纳米粒的特性

a) TTA-UC 纳米粒子示意图。 b) 从 49.4 mW cm-2 到 1.5 × 104 mW cm-2 的不同激发强度下的 TTA-UC 光谱。 插图： c) 485 纳米波长下 TTA-UC 的激发强度。 (λex = 635 nm，590 nm 短通滤波器，环境条件下）。

TTA-UC上转化纳米粒调控光遗传技术

通过Cre-reporter EGFP的表达，TTA-UC纳米颗粒可作为光遗传学的内部光源进行皮下注射，而不会穿透和损伤脑实质。

参考文献

M. Uji, J. Kondo, C. Hara-Miyauchi, S. Akimoto, R. Haruki, Y. Sasaki, N. Kimizuka, I. Ajioka, N. Yanai, In Vivo Optogenetics Based on Heavy Metal-Free Photon Upconversion Nanoparticles. Adv. Mater. 2024, 2405509.  https://doi.org/10.1002/adma.202405509