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王辉亮：通过纳米粒子技术，对特定神经元进行选择性精确控制，以非侵入式方式实现神经系统疾病治疗丨创新35人专栏

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2024-10-16 05:20

1 月 22 日，由 DeepTech 携手络绎科学举办的“MEET35：创新者说”论坛暨“35 岁以下科技创新 35 人”2021 年中国线上发布仪式成功举行。来自科学界和产业界的人士在云端共同见证了新一届中国青年科技领军人物登场。

DeepTech 同“创新 35 人” 2021 中国入选者德克萨斯大学奥斯汀分校助理教授王辉亮，从光遗传学面临的挑战、“声光遗传技术”的优势、发展与未来应用潜力等方面进行了深入交流。

作为“人文关怀者”入选的王辉亮主要研究神经技术、纳米材料、柔性电子与应用等方面。其因通过金纳米棒进行神经活动的投射特异性调节、利用纳米粒子将超声转化为光进行无损光遗传学刺激的创新性研究成功地入选“创新 35 人”。

获奖时年龄：34 岁

获奖时职位：德克萨斯大学奥斯汀分校助理教授

获奖理由：他利用纳米粒子技术对特定神经元进行非侵入式的精确控制，为更好地研究和治疗帕金森等神经系统疾病铺平道路。

光遗传学具有对特定神经元的神经活动的精确控制能力，在过去的十年，已逐渐成为研究神经科学以及治疗神经系统疾病的重要技术手段，如帕金森病、阿尔茨海默、自闭症、抑郁、焦虑等。

尽管光遗传学支持的细胞靶向神经调节，被认为是“研究神经科学的突破性技术”。但是，该技术在临床应用领域仍需面对在两大严峻的挑战。

一是由于可见光对组织的穿透性有限，光遗传学刺激需要侵入性的开颅手术和颅内植入光纤；二是视蛋白的表达需要病毒转导，因此，受到宿主免疫反应，最大基因大小的限制、外周神经系统的稳定性的影响。并且，还存在表达周期长以及制造成本高等问题。

为应对这些挑战，王辉亮进行了两项基于纳米材料的神经调控技术的创新性研究，包括“通过金纳米棒进行神经活动的投射特异性调节”、以及“利用纳米粒子将超声转化为光进行无损光遗传学刺激”。

“声光遗传学”方法实现非侵入式特定神经元神经调控

针对可见光对组织的穿透性有限的问题，王辉亮合作开发了“声光遗传学”方法，通过机械发光的无机纳米粒子，在大脑内把聚焦超声转化为光，用于光遗传学刺激[1]。

王辉亮表示，这种方法能够实现对于特定种类神经元的控制，并满足临床需要的 >10cm 的潜在穿透深度。

纳米颗粒可通过注射进入到血液中，因此，这种靶向神经调节方法既不需要开颅手术，也不需要颅内植入。该研究证明了“声光遗传学”方法对神经细胞的体外控制和小鼠运动行为的体内控制的功效。

图丨纳米颗粒作为血液循环中的可充电光源用于声光遗传学（来源：PNAS）

帕金森病是第二常见的神经退行性疾病，每 1000 人中有 1-2 人患病。最近，深度脑刺激（Deep Brain Stimulation, DBS）在缓解帕金森病人症状方面，与传统药物疗法相比得到了很大改善。因此，这种方法在治疗帕金森病方面受到了广泛关注。

但是，深度脑刺激（DBS）会刺激植入电极部位的所有细胞类型，不能精确控制特定神经元，而且，植入电极时会导致周围脑组织永久性损伤。而王辉亮参与研发的“声光遗传学技术”可以实现非侵入式治疗，针对特定神经元“有选择性”地进行精确控制，从而实现无损、持久的运动恢复。

王辉亮表示，目前研究重点是通过设计纳米粒子，超声设备等方面继续完善“声光遗传学技术”，并且利用这项技术，对有帕金森综合症的老鼠进行无损治疗。目标是能够用“声光遗传学技术”这种非侵入式的治疗方法让用帕金森综合症的老鼠实现持久的运动恢复。

（来源：PNAS）

“目前，在实验室我们已经进行了大鼠模型实验，预计今年内会有相关的研究数据。再根据相关结果，过渡到猴子实验，直到把这项技术真正地用于临床治疗帕金森综合症的病人。”他说。

让科研灵感“不走寻常路”

王辉亮本科及硕士毕业于牛津大学材料学专业，随后，他赴斯坦福大学化工系鲍哲南教授课题组读博。博士期间，他主要研究碳纳米管的分离以及在柔性电子方面的应用，研究了用于柔性/可穿戴电子产品的纳米材料和聚合物。

研究的重点为纳米材料的处理和柔性电子的制备，包括用高分子材料提取高纯度的半导体碳纳米管，并制备出高性能碳纳米管柔性电路以及传感器。

图丨添加剂“掺杂”碳纳米管以提高其电子性能的工艺，为弯曲的数字设备铺平了道路[2]（来源：斯坦福大学）

在博士学习期间，王辉亮注意到，纳米材料和柔性电子在神经技术领域都有非常广泛的潜在应用，而同时，具备多学科交叉背景的研究人员却很少。

因此，在 2015 年，他选择加入了斯坦福大学生物工程的光遗传学技术的先驱卡尔·戴瑟罗斯（Karl Deisseroth）教授课题组进行博后研究，开发基于纳米材料的技术，用于靶向调节神经活动，并成为实验室里第一位用纳米材料做神经调控的成员。

2021 年，王辉亮加入德克萨斯大学奥斯汀分校生物医学工程系任助理教授，继续从事“声光遗传学技术”方面的研究。致力于研发性能和生物相容性更佳的纳米粒子，将超声转化为光进行无损光遗传学刺激，并把这项技术应用在不同的疾病中。

在科研的过程中，“不走寻常路”的科研思路常让王辉亮备受启发，一些创新性的想法时常会让他觉得兴奋不已，这也是他科研动力的主要来源。成为老师以后，王辉亮会定期地和他的学生们交流，把他的经验分享给学生，并鼓励他们进行创新性的探索。

王辉亮表示，希望该技术更好地帮助帕金森病人，通过这种无损的方法实现更好的治疗效果。“期待声光遗传学技术在未来可以成为治疗中风、自闭症、阿尔茨海默病等的疾病的主要治疗方法。”

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参考：

2.Huiliang Wanget al. PNAS111 ( 13 ) 4776 - 4781(2014). https://doi.org/10.1073/pnas.1320045111

【关于创新35人】

自 1999 年起，《麻省理工科技评论》每年从世界范围内的新兴科技、创新应用中遴选出 35 岁以下对未来科技发展产生深远影响的创新领军人物，涵盖但不限于生物技术、能源材料、人工智能、信息技术、智能制造等新兴技术领域。“35 岁以下科技创新 35 人”（MIT Technology Review Innovators Under 35，简称 TR35）堪称科技领域最权威的青年人才评价体系之一，在产业界和学术界获得了广泛认同。2017 年，TR35 中国评选正式推出，目前已历经五届。

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