A Non‐Invasive and DNA‐free Approach to Upregulate Mammalian Voltage‐Gated Calcium Channels and Neuronal Calcium Signaling via Terahertz Stimulation

钙信号传导 光遗传学 电压依赖性钙通道 细胞生物学 下调和上调 奶油 化学 生物物理学 生物 神经科学 转录因子 信号转导 生物化学 基因 有机化学
作者
Yuankun Sun,Jinli Geng,Fan Yu,Yangmei Li,Yuan Zhong,Jing Cai,Xiaodong Liu,Li Wang,Yubin Gong,Chao Chang,Yaxiong Yang,Chunhai Fan
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
标识
DOI:10.1002/advs.202405436
摘要

Abstract Mammalian voltage‐gated calcium channels (Ca V ) play critical roles in cardiac excitability, synaptic transmission, and gene transcription. Dysfunctions in Ca V are implicated in a variety of cardiac and neurodevelopmental disorders. Current pharmacological approaches to enhance Ca V activity are limited by off‐target effects, drug metabolism issues, cytotoxicity, and imprecise modulation. Additionally, genetically‐encoded channel activators and optogenetic tools are restricted by gene delivery challenges and biosafety concerns. Here a novel terahertz (THz) wave‐based method to upregulate Ca V 1.2, a key subtype of Ca V , and boost Ca V 1‐mediated Ca 2+ signaling in neurons without introducing exogenous DNA is presented. Using molecular dynamics simulations, it is shown that 42.5 THz (7.05 µm, 1418 cm −1 ) waves enhance Ca 2+ conductance in Ca V 1.2 by resonating with the stretching mode of the ‐COO − group in the selectivity filter. Electrophysiological recordings and Ca 2+ imaging confirm that these waves rapidly, reversibly, and non‐thermally increase calcium influx of Ca V 1.2 in HEK293 cells and induce acute Ca 2+ signals in neurons. Furthermore, this irradiation upregulates critical Ca V 1 signals, including CREB phosphorylation and c‐Fos expression, in vitro and in vivo, without raising significant biosafety risks. This DNA‐free, non‐invasive approach offers a promising approach for modulating Ca V gating and Ca 2+ signaling and treating diseases characterized by deficits in Ca V functions.
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