光遗传学是利用光精准操控生命活动的一门新型交叉学科。自2005年首次被提出后,2010年光遗传学先后被NATURE、SCIENCE期刊评为“年度方法”。虽然光遗传学在国内起步较晚,但近几年发展迅猛,赶超世界一流。党的十九届五中全会中,基于新冠疫情的大背景,首次对科技创新提出“面向人民生命健康”的新方向,作出一系列战略新部署,列举了中国近几年取得的重大科研成就,其中就包括:“我国在光遗传学基因元器件设计等领域已达世界领先水平”。与传统的利用化学、热、声作为信号的调控方式相比,光信号对组织及活体几乎没有副作用,而且光调控具有精准的时空特异性,在神经科学、信号通路、疾病治疗等生命活动领域具有独特的优势。然而,光遗传学在活体应用时,由于可见光的组织穿透能力有限,导致外部光源无法穿透深层组织,因此在活体应用中光遗传学的光源主要依赖于电极埋植,该方法手术难度大,极易引发组织损伤,甚至造成死亡。这些弊端,严重限制了光遗传学在体内的应用。如何将光“安全、高效、便捷”地导入体内,决定了光遗传学能否进一步向生物医学工程转化。为了拓展光遗传学的在体应用,解决光遗传学在体光递送的难题,本课题将纳米技术与光遗传学工具结合,创立三种可分别应用于皮下、肿瘤及肠道的“纳米光遗传”系统。与传统的利用光纤埋植的活体光遗传给光相比,稀土上转换材料能够将组织穿透性强、生物安全的近红外光高效转换为局部可见光,不仅能实现深层组织递光,还能避免光纤埋植对组织造成的损伤;同时为了避免材料毒性、确保活体使用安全性,利用柔性材料与水凝胶材料包裹稀土上转换,防止稀土材料与组织的直接接触,以实现将光“安全、高效、便捷”地递送至活体组织。具体研究内容如下:（1）“纳米光遗传”系统用于活体精准调控细胞自噬。将上转换纳米棒包封至PET/PDMS基底,利用高温干燥法制备成厚度0.1-0.3mm的柔性器件,包埋至小鼠皮下。将光感调控自噬相关质粒p53-Cry2及NLS-Cib1共转染至皮下组织。实验结果表明,与传统光遗传学刺激相比,“纳米光遗传”系统引发自噬效率提高了3.5倍。（2）“纳米光遗传”系统用于活体精准肿瘤治疗。将EL222启动子改造的工程菌Nissle 1917经尾静脉注射递送至荷瘤小鼠,工程菌自发靶向到肿瘤乏氧区域后定植,感受蓝光精准分泌肿瘤坏死因子TNFα;在上转换纳米粒表面修饰肿瘤靶向叶酸分子,经尾静脉注射入荷瘤小鼠体内,可实现材料的肿瘤靶向。实验结果表明,利用“纳米光遗传”系统刺激肿瘤部位3次后,肿瘤生长可显著减缓。（3）“纳米光遗传”系统用于活体精准调控“肠-脑”轴。借助“肠-脑”轴通路,利用乳酸乳球菌NZ9000为底盘,引入蓝光敏感pDawn启动子,在蓝光诱导下,工程菌可分别分泌GABA、Gcsf或GLP-1治疗性因子,并将执行不同功能的菌株分别定植于小鼠肠道;为了实现肠道内的光递送,基于紫外光固化法制备包封上转换纳米棒微液滴,口服递送至小鼠肠道。在小鼠肠道部位给予980nm近红外光刺激后,实验结果表明,该“纳米光遗传”系统通过精准调控肠道工程菌的分泌,达到精准改善小鼠焦虑、帕金森症及迷走神经的目的。