近日，西安市生物医学光谱学实验室联合空军军医大学神经生物学教研室，在上转换纳米粒子介导的慢性疼痛精准调控领域取得重要进展。相关成果发表于ACS Nano。论文第一作者为中国科学院西安光机所博士生郭泽蓓、助理研究员范琪，空军军医大学博士生牛子怡、硕士生刘培洋，通讯作者为西安光机所研究员王荃，空军军医大学教授解柔刚，西安光机所助理研究员范琪。西安光机所为第一完成单位。
慢性疼痛是全球高发的神经系统疾病，传统药物、介入手术等治疗方案普遍存在疗效有限、副作用显著、靶向性不足等临床痛点。光遗传技术凭借高时空分辨率与细胞特异性调控的独特优势，为神经疾病精准干预开辟了全新路径，但传统光遗传技术依赖植入式光纤传导可见光，不仅存在手术创伤与长期植入的感染风险，且可见光在生物组织中穿透深度有限，难以实现外周深部神经的无创、长效调控。
针对上述问题，研究团队以痛觉信号传导的关键枢纽——背根神经节（DRG）为核心调控靶点，构建了一种基于上转换纳米颗粒（UCNPs）的无线近红外光遗传系统。该系统可将组织穿透能力更强的近红外光转换为蓝光，在无需植入光纤的条件下，实现对背根神经节（DRG）神经元活动的精准无创调控。
图 基于上转换纳米颗粒的无线近红外光遗传疼痛调控系统示意图
研究中，团队合成了具有核壳结构的NaYF4:Yb,Tm@NaYF4上转换纳米颗粒。实验表明，该纳米材料在980 nm近红外光激发下能够稳定发射470 nm蓝光，可有效激活光敏蛋白ChR2和抑制型光敏蛋白SwiChRca。进一步的电生理实验显示，UCNPs介导的近红外刺激能够有效抑制DRG神经元异常动作电位的产生，实现对痛觉信号传导的远程光学抑制。
在炎症性疼痛模型的动物行为学实验中，该系统的镇痛效果得到充分验证：在近红外光照射下，UCNPs产生的蓝光能够激活SwiChRca，显著提高小鼠机械痛阈和热痛阈，且镇痛效果随着近红外光功率增加而增强。实验全程小鼠无需光纤连接即可自由活动，为复杂行为学分析、疼痛机制研究提供了新的实验平台。
郭泽蓓介绍，“我们做的事情就像是给神经系统装了一个‘无线遥控’。以前做光遗传调控，就像必须拖着一根光纤才能给神经元信号，不仅操作不方便，还会带来一定创伤。而我们这次利用一种特殊的纳米材料，可以把穿透能力很强的近红外光，转换成光敏蛋白能够识别的可见光，相当于在体内搭建了一个‘光的翻译器’。这样一来，只需要从体外照射近红外光，就能在体内精准控制负责疼痛传导的神经细胞活动，从而达到缓解疼痛的效果，而且小鼠在实验过程中可以完全自由活动，不需要任何有线连接。”
该研究首次系统验证了“UCNPs+SwiChRca”无线近红外光遗传策略在DRG疼痛调控中的可行性，突破了传统光遗传技术对光纤植入的依赖，为慢性疼痛的精准、微创治疗提供了新的技术路径。同时，该研究也为深部神经调控、脑机接口及神经疾病治疗等方向的发展提供了重要参考。
王荃研究员团队近年来围绕脑机智能、计算机视觉、AI大模型与光学材料等方向持续开展研究，取得了一系列重要成果，相关工作发表于NeuroImage、 Pattern Recognition、 CVPR等。
