Dual Behavior Regulation: Tether‐Free Deep‐Brain Stimulation by Photothermal and Upconversion Hybrid Nanoparticles

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作者
Feiyi Sun,Hanchen Shen,Qinghu Yang,Zhaoyue Yuan,Yuyang Chen,Weihua Guo,Yu Wang,Liang Yang,Zhan‐Tao Bai,Qingqing Liu,Ming Jiang,Jacky W. Y. Lam,Jianwei Sun,Ruquan Ye,Ryan T. K. Kwok,Ben Zhong Tang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (21) 被引量:15
标识
DOI:10.1002/adma.202210018
摘要

Optogenetics has been plagued by invasive brain implants and thermal effects during photo-modulation. Here, two upconversion hybrid nanoparticles modified with photothermal agents, named PT-UCNP-B/G, which can modulate neuronal activities via photostimulation and thermo-stimulation under near-infrared laser irradiation at 980 nm and 808 nm, respectively, are demonstrated. PT-UCNP-B/G emits visible light (410-500 nm or 500-570 nm) through the upconversion process at 980 nm, while they exhibit efficient photothermal effect at 808 nm with no visible emission and tissue damage. Intriguingly, PT-UCNP-B significantly activates extracellular sodium currents in neuro2a cells expressing light-gated channelrhodopsin-2 (ChR2) ion channels under 980-nm irradiation, and inhibits potassium currents in human embryonic kidney 293 cells expressing the voltage-gated potassium channels (KCNQ1) under 808-nm irradiation in vitro. Furthermore, deep-brain bidirectional modulation of feeding behavior is achieved under tether-free 980 or 808-nm illumination (0.8 W cm-2 ) in mice stereotactically injected with PT-UCNP-B in the ChR2-expressing lateral hypothalamus region. Thus, PT-UCNP-B/G creates new possibility of utilizing both light and heat to modulate neural activities and provides a viable strategy to overcome the limits of optogenetics.
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