ChReef推动临床方案新工具助力光遗传解开退行性疾病难题
2025-08-14 来源:本站 点击次数:61本文由Alexey Alekseev, Victoria Hunniford, Maria Zerche, Marcus Jeschke, Fadhel El May, Anna Vavakou, Dominique Siegenthaler, Marc A. Hüser, Svenja M. Kiehn, Aida Garrido-Charles, Alexander Meyer, Adrian Rambousky, Theocharis Alvanons, Isabel Witzke, Keila Dara Rojas-Garcia, Martin D. Draband, Lukas Cyganek, Eric Klein, Patrick Ruther, Antoine Huet, Stuart Trenholm, Emilie Mace, Kathrin Kusch, Tobias Bruegmann, Bettina J. Wolf, Thomas Mager & Tobias Moser共同完成，研究成果以《Efficient and sustained optogenetic control of sensory and cardiac systems》为题，于2025年7月在线发表于Nature Biomedical Engineering。
重要发现
01ChReef的光学性能突破
ChReef通过突变位点T218L/S220A改造解决了ChRmine的光电流脱敏问题。噪声分析显示其单通道电导达80 fS，与ChRmine相当，但光电流稳态峰值比提升至0.62（ChRmine仅为0.22）。关键改进在于消除了ChRmine的"底物抑制"效应——高光强下光电流反常下降的现象。光谱分析进一步揭示ChReef消除了ChRmine的高频开放态，从而支持持续光刺激。
在心肌细胞中，ChReef实现高效红光起搏与去极化阻断。AAV2/9载体介导的ChReef表达率超96%，其红光刺激能量比ChRmine降低20倍（50 μW/mm² vs. 1 mW/mm²），成功阻断95%心肌细胞电诱导收缩。人源iPSC心肌细胞实验进一步验证了其在长波长光下的持续去极化能力。
03视觉恢复的低光强突破
通过AAV-PHP.eB载体将ChReef递送至视网膜神经节细胞，盲鼠（rd1模型）在0.25 μW/mm²光强下（相当于室内环境光）即能诱发初级视皮层响应。iPad屏幕白光刺激（350 μW/mm²）成功激活视觉通路，行为学测试显示70%盲鼠恢复暗室偏好，首次实现无放大设备的视功能重建。
04听觉通路的高效光刺激
ChReef在耳蜗螺旋神经节神经元（SGN）中实现纳焦耳级刺激阈值。啮齿类模型中，光纤刺激能量仅170 nJ（绿光）与1.25 μJ（橙光），比f-Chrimson降低10倍。LED植入式耳蜗装置在聋模型中以238 nJ/通道激活中脑下丘，频谱分辨率接近自然听觉。在普通狨猴中首次实现灵长类听觉通路光遗传激活，为临床转化奠定基础。
创新与亮点
01突破脱敏难题
首次解析ChRmine光电流衰减机制并通过靶向突变消除底物抑制效应，实现光遗传学核心工具的性能跃升。
单通道电导80 fS结合低脱敏特性，将光刺激能量需求降至传统技术的1/10，突破植入设备功耗瓶颈。
03跨器官应用验证
在心脏、视网膜、耳蜗三大系统中实现了首例红光介导心肌去极化阻断、iPad级光强恢复视觉功能、纳焦耳级听觉神经调控。
04临床转化路径
非人灵长类听觉激活、LED耳蜗装置及无荧光标签载体设计为光遗传疗法落地铺平道路。
总结与展望
ChReef通过分子工程改造解决了光遗传学中长期存在的光电流脱敏与能量效率矛盾，在心脏调控、视觉与听觉恢复中展现出卓越性能。其红光响应特性降低了光毒性风险，纳焦耳级刺激阈值使LED耳蜗植入等设备临床转化成为可能。未来研究需进一步优化病毒载体递送效率（如AAV衣壳筛选），开发快速关闭动力学变体以提升听觉编码保真度，并在大型动物模型中验证长期安全性。该技术突破不仅为退行性疾病治疗提供新工具，更将推动光遗传学从实验室迈向临床医疗的广阔场景。
声明：本文仅用作学术目的。
Alekseev A, Hunniford V, Zerche M, Jeschke M, El May F, Vavakou A, Siegenthaler D, Hüser MA, Kiehn SM, Garrido-Charles A, Meyer A, Rambousky A, Alvanos T, Witzke I, Rojas-Garcia KD, Draband MD, Cyganek L, Klein E, Ruther P, Huet A, Trenholm S, Macé E, Kusch K, Bruegmann T, Wolf BJ, Mager T, Moser T. Efficient and sustained optogenetic control of sensory and cardiac systems. Nat Biomed Eng. 2025 Jul 28.
DOI:10.1038/s41551-025-01461-1.