独立行政机构国立产业技术综合研究所[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）纳米管应用研究中心高功能CNT团队首席研究员Eijiro Miyako与法国国家科学研究中心一级研究主任Alberto Bianco[主任Alain Fuchs]（以下简称“CNRS”）、斯特拉斯堡大学Luisa Decora教授[校长Alain Beretz]、东北大学Hiroshi Yao教授[校长Susumu Satomi]合作开发高功能CNT生物渗透材料近红外激光加热活性氧碳纳米角由 (CNH) (纳米调制器）并开发了一种新的光控制技术，可以使用这种分子复合物操纵活细胞的功能。
新开发的纳米调制器位于 CNH 表面近红外荧光染料（IRDye800CW）8823_9017
有关此项研究的详细信息，请参阅《德国化学杂志》应用化学国际版
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(a) 使用近红外激光同时产生热量和活性氧的纳米调制器的概念图
(b)神经细胞因纳米调节剂引起的钙流入而发出荧光 |
近年来细胞研究取得了显着进展，特别是光遗传学为代表的利用光的细胞功能控制技术正在引起人们的关注。利用光遗传学，只需按下光开关就可以操纵细胞之间的连接和特定细胞群的功能，这有望帮助解开未知的细胞网络并帮助治疗疾病。然而，由于它基本上使用生物渗透性较低的光，例如紫外线或可见光，因此无法控制体内深处细胞的功能。另外，由于需要利用病毒进行基因改造，因此难以应用于医疗。
产业技术研究院研究了容易通过近红外激光产生热量的纳米碳材料的特性（光加热特性)，目前我们已经开发出一种可以在体内发电的光热发电装置(2011 年 10 月 27 日 AIST 新闻稿)，在体内产生靶向生理活性物质的基因表达控制技术(2012 年 4 月 24 日 AIST 新闻稿)，一种模仿生物功能的新型分子传输系统（纳米列车）(2012 年 11 月 28 日 AIST 新闻稿)等正在开发中。这次，我们致力于开发一种新型纳米调节剂，它可以通过用有机荧光染料对 CNH 表面进行化学修饰来控制细胞功能。
这项研究和开发得到了日本学术振兴会科学研究补助金“青年科学家（A）（2013-2014）”、新一代研究所2014年研究补助金和法国国家科学研究中心（CNRS）的支持。
当暴露于近红外波长范围（700-1100 nm）的激光时，CNH 很容易产生热量，这种激光对生物体具有很高的渗透性。新开发的纳米调制器具有用水溶性近红外荧光染料（IRDye800CW）和水溶性二氨基三甘醇进行化学修饰的CNH表面。图1显示了合成纳米调节剂在水中的分散性和光热性能的评价结果。即使你尝试将 CNH 分散在水中，由于分子之间的强烈相互作用，它也会聚集成颗粒。为了最大限度地发挥CNH的光热性能，需要将CNH以纳米水平分散在水中而不使其聚集，但由于表面存在水溶性分子，新开发的纳米调节剂在水中的分散稳定性很高，并且没有观察到聚集体形成（图1a）。此外，还有用IRDye800CW和二氨基三乙二醇进行化学改性的CNH（Dye-CNH）分散体，以及仅用二氨基三乙二醇进行化学改性的CNH（NH2-CNH)分散液、仅IRDye800CW溶液和细胞培养基分别用波长800 nm的激光照射时，在Dye-CNH分散液中观察到最大的温度升高（图1b）。 NH2-CNH分散液中的温度升高，但其温度小于Dye-CNH中的温度。另一方面，在仅含有IRDye800CW和细胞培养基的溶液中，温度几乎不升高。 Dye-CNH分散液表现出最大温度升高的原因被认为是由于CNH在水中的分散性、光热特性以及吸收近红外光的IRDye800CW到CNH的能量转移和电子转移而导致光热特性的增强效果。
另一方面，许多近红外荧光染料（例如 IRDye800CW）在受到近红外光照射时会产生活性氧。当在活性氧存在下发出绿色荧光的染料溶解在 Dye-CNH 分散液中并用近红外激光照射时，使用荧光显微镜观察到绿色荧光（图 1c）。此外，除了 Dye-CNH 分散体之外，NH2-将荧光染料溶解在CNH分散液、仅含有IRDye800CW的溶液和蒸馏水中，用激光照射荧光染料，并使用荧光显微镜测量荧光强度，结果仅在Dye-CNH分散液和IRDye800CW溶液中观察到绿色荧光，其强度与激光输出相对应（图1d）。这些结果表明，新开发的纳米调制器 Dye-CNH 利用近红外激光有效地产生热量和活性氧。活性氧通过控制离子进出细胞运动所涉及的蛋白质活性，参与生命活动必需的过程，例如压力、激素传递和免疫反应，因此纳米调节剂有望控制细胞功能。
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| 图 1 纳米调节剂的 (a) 在水中的分散性，(b) 光热特性，(c,d) 活性氧物质生成特性 |
使用新开发的纳米调节剂，我们将其整合到小鼠神经母细胞瘤和大鼠神经杂交细胞（ND7/23）、小鼠巨噬细胞（RAW2647）和人宫颈癌细胞（HeLa）中，以观察钙离子流入细胞的行为。这些细胞还含有一种指示剂，当与钙离子结合时会发出绿色荧光。当用波长为808 nm的近红外激光照射并使用荧光显微镜观察时，所有三种类型的细胞都有效地发射荧光，表明钙内流可以通过纳米调制器控制（图2a）。
此外，将波长为785 nm的激光束照射到已引入纳米调制器的大鼠脊髓背根神经节（DRG）膜片钳法测量流经细胞膜的电流时，我们发现电流随着激光输出而变化，这表明使用纳米调制器控制细胞膜电流的可能性（图2b）。
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| 图2（a）钙离子通过纳米调制器流入RWA2647细胞（图中红圈为激光照射位置）和（b）流经DRG细胞细胞膜的电流响应于每次激光输出的变化 |
由于新开发的技术使用具有高度生物渗透性的近红外光，因此被认为可以控制体内深处的细胞功能，这在以前是不可能的。此外，不需要使用病毒进行基因操作。这些优点可以提高利用光的细胞功能控制技术的性能，例如无线且无病毒地激活大脑深处特定区域的细胞，并进一步增加医疗应用的可能性。
未来，我们计划应用该技术开发单细胞水平的细胞功能分析技术。该公司还将致力于开发外围核心技术，为帕金森病和阿尔茨海默病等脑部疾病带来新的治疗方法。