2025年第5期文章：

研究背景

如果神经科学的终极目标之一，是在正确的时间、正确的位置、精准调控正确的神经元，那么光遗传技术无疑为这一目标提供了前所未有的强大工具。过去二十年，这项融合了光学、遗传学与神经生物学的跨学科技术，已从实验室中的基础研究迅速崛起为神经调控领域的核心手段，并正在迈出向临床应用转化的关键一步。光遗传技术（Optogenetics）的核心思想并不复杂，却极具颠覆性。研究者通过基因手段，将对光敏感的蛋白导入特定类型的神经元，使这些细胞在特定波长光照下被激活或抑制。换言之，神经元获得了一个“光开关”，其放电行为不再依赖传统的电极刺激，而是由光来精准触发。与传统电刺激方式相比，光遗传最大的优势在于其精确性。光不仅可以在毫秒尺度上调控神经活动，还能通过基因靶向实现细胞类型选择，从而避免“误伤”周围神经元。这种时间与空间双重精度的结合，使光遗传成为研究或治疗神经相关疾病最准确的方法。

光遗传技术的起点，源于自然界中微生物的光敏蛋白。随着通道视紫红质（ChR2）被发现并成功在哺乳动物神经元中表达，人类第一次实现了对神经放电的毫秒级光学控制。随后，抑制型光敏蛋白的出现，使神经活动的“开”与“关”都可以由光精确调节，真正构建起双向调控体系。这一技术很快从单纯的神经生理研究，扩展到行为学、疾病模型乃至系统神经科学。更具标志性意义的是，光遗传在2021年首次被应用于人类视网膜色素变性患者，部分恢复了患者的视觉功能。这是光遗传学应用于人类疾病治疗的第一篇报道。

如今，光遗传技术已被广泛应用于治疗各种疾病。根据疾病的发病机制，利用光遗传学技术激活或抑制神经冲动，纠正异常的神经活动，达到治疗疾病的目的。基于此，北京理工大学顾瑛院士和赵洪友副研究员、解放军总医院邱海霞主任教授、聊城市人民医院肖以磊副主任医师总结了近年来光遗传技术在生物医学领域的应用进展，包括神经脉冲激活治疗中枢神经系统疾病、消化系统疾病、运动系统疾病和癌症；或抑制神经冲动治疗中枢神经系统疾病、循环系统疾病、泌尿系统疾病等（图1）；重点介绍了光遗传技术在视神经系统中的研究和临床应用；最后，讨论了光遗传技术应用于临床的挑战和未来展望。相关成果以“”为题，发表在2025年第5期。

图1 光遗传技术在不同疾病中的应用示意图。左：光刺激触发神经元去极化，以治疗不同系统的疾病。右图：光刺激触发神经元超极化，以治疗不同系统的疾病

综述内容

1. 光遗传技术用于神经兴奋激活

中枢神经系统疾病，如阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）、帕金森病（Parkinson’s disease, PD）以及缺血性脑卒中（ischemic stroke, IS），由于发病率持续上升且发病年龄呈年轻化趋势，正受到日益广泛的关注。与此同时，脊髓损伤（spinal cord injury, SCI）和脑血管疾病会严重影响患者及其家庭的生活质量和心理健康。这类疾病的主要病因在于神经元功能的损伤或缺失，最终导致机体功能逐渐衰退。近年来，基于兴奋型光敏蛋白介导的光遗传技术，为实现目标神经元的精准激活提供了重要工具。大量研究已经表明，光遗传技术在上述疾病的研究和治疗中具有重要作用。（图2-5）

图2 光遗传疗法促进阿尔茨海默病症状的缓解

图3 光遗传技术在缺血性脑卒中的作用机理研究

图4 光遗传疗法可改善癫痫症状

图5 光遗传刺激促进脊髓损伤后肢体功能恢复

光遗传刺激技术不仅可以用于中枢神经系统的神经刺激与疾病治疗研究，同样在循环系统、运动系统、消化系统以及癌症的研究中起到了重要的作用。在循环系统中，如心脏疾病，心律失常是较为严重的一类疾病。传统治疗手段，如植入式电子起搏器和除颤器，存在损伤心肌细胞并干扰正常心脏电生理活动的风险。相比之下，光遗传技术具有高时空分辨率和高度特异性的优势，能够实现对心肌细胞的精准调控，从而有望实现无痛、高效的心律失常治疗。（图6）

图6 用于治疗心律失常的先进心脏生物接口的发展

在运动系统中，神经系统疾病可破坏中枢神经系统与肌肉之间的神经通路，从而引起患者的运动功能障碍。光遗传刺激在肌肉康复中表现出更高的调控精度与重复性，相较电刺激具有更稳定、可控的神经-肌肉调节优势，为生物机器人研究提供理论依据。（图7）

图7 光遗传刺激对肌肉调节作用的研究

癌症是一种由细胞异常增殖引起的疾病，可破坏器官功能并可能向机体其他部位扩散。目前，癌症的治疗仍是医学领域面临的一项重大挑战。光遗传技术通过无线、非侵入方式调控肿瘤细胞电活动或机体免疫反应，在多种动物模型中显著抑制肿瘤生长并提高术后生存率，展现出肿瘤治疗的新策略与潜力。（图8）

图8 用于癌症治疗的光遗传技术

2. 光遗传技术用于神经兴奋抑制

从辩证的角度来看，能够激活神经冲动光敏蛋白的存在，表明自然界中同样存在能够抑制神经冲动的光敏蛋白。由抑制型光敏蛋白介导的光遗传技术已在生物医学领域得到广泛应用，其靶向疾病涵盖中枢神经系统疾病、循环系统疾病以及泌尿系统疾病等。中枢神经系统疾病的发病机制复杂，涉及遗传因素、环境因素及免疫因素之间的相互作用。通过抑制神经冲动，往往能够对相关疾病的发生与发展产生积极的干预效果。这在阿尔茨海默症、帕金森病、癫痫等疾病中得到了深入的研究。（图9）

图9 神经退行性疾病中神经兴奋抑制的研究

图10 光遗传技术抑制神经冲动，治疗多种疾病

光遗传研究表明，基底外侧杏仁核至腹侧海马通路在社会行为调控中发挥关键作用，其双向光调控可显著改变小鼠社会交互能力，为精神障碍治疗提供了新的神经靶点。与此同时，通过抑制SFO–PVN–RVLM 中枢通路的神经活动，可有效改善慢性肾病与心力衰竭模型中的器官功能，揭示了光遗传技术在多器官疾病神经调控中的应用潜力。（图10）

图11 用于治疗心律失常的无线自供电光遗传调制系统

传统光遗传技术因依赖有线供能且侵入性高，限制了其在心脏神经调控中的进一步应用。针对无线系统能量受限的问题，研究者提出了一种基于摩擦纳米发电机的无线自供能光遗传调控系统，可将机体运动的生物力学能转化为电能。动物实验表明，该系统通过抑制交感神经重塑有效降低心肌梗死后异常神经活动，显示出支撑长期光遗传治疗设备发展的潜力（图11）。

3. 视神经系统

视网膜退行性疾病是视神经系统疾病的典型病例。典型的病理特征是视网膜感光细胞的不可逆损伤，这是导致失明的原因之一。兴奋性光敏蛋白可以在光刺激下刺激神经冲动，这为治疗失明提供了可能。在视觉系统领域，光遗传技术已率先实现从动物模型向人体应用的跨越。2021年，人们首次将光遗传技术成功用于视网膜色素变性患者的视觉功能恢复（图12），成为目前临床转化进展最快的方向之一。光遗传技术在退行性视网膜疾病中的研究已经达到了一个比较先进和成熟的阶段。

图12 光遗传学刺激视力恢复

激活光敏蛋白通常需要高于环境光水平的光强，这在实际应用中往往需要借助光放大系统。然而，现有光放大器普遍存在体积庞大、能效较低且难以实现系统级集成等问题，严重制约了其在可穿戴或植入式视觉辅助系统中的应用。

在这一背景下，有机发光二极管（organic light-emitting diode, OLED）因其结构紧凑、可微型化、易于集成等优势，逐渐成为极具潜力的光遗传微显示光源。Hillebrandt等人开发了一种专用于光遗传视觉治疗的OLED器件，用于为视网膜神经节细胞中表达的光敏蛋白提供高强度、波长匹配的光刺激。（图13）通过结构优化，OLEDs能够满足光遗传治疗对高亮度和定向发射的要求。串联叠层技术显著提升了器件的发光效率与运行寿命，为下一代光放大假体中微显示光源的实现提供了一种切实可行的解决方案。为实现对视网膜细胞的高分辨率调控并进一步提升生物安全性，光遗传器件正逐步朝着小型化、无线化以及绿色环保方向发展。上述技术进展植根于生物光子学领域中微型光电器件的持续演进，为光遗传技术的临床转化提供了关键的硬件支撑。

图13 光放大器器件

结论与展望

光遗传技术在过去二十年中实现了从基础神经回路研究到初步临床探索的重要跨越，展现出在神经疾病治疗、感觉功能恢复及多系统调控中的独特优势。然而，其临床转化仍面临光穿透深度有限、基因递送安全性、长期生物相容性以及系统级集成等关键挑战。与此同时，永久性基因修饰所引发的免疫风险与科学伦理问题亦不容忽视。未来，光遗传技术的发展有赖于与新型光电器件、柔性生物界面及无创调控策略的深度融合，并需在完善监管框架与跨学科协作的基础上，推动其向安全、可控且负责任的临床应用迈进。

期刊简介

(AP) 创刊于2019年，是一本重点关注新兴光学领域的基础与应用研究成果、聚焦最新及快速发展的光学与光子学学科的国际OA期刊。期刊入选中国科协高起点新刊计划，2021年被SCI收录，最新影响因子18.8，在全球JCR光学期刊中位列第7 (Q1区) ，中国科学院一区，入选中国科技期刊卓越行动计划 (二期) 。创刊以来AP发表了众多国际顶尖学者的高水平学术论文，并以采访、新闻、评论等丰富的形式，展现了光学与光子学领域的最近进展。姊妹刊(APN) 接收AP的快速转投和自然来稿，致力于成为既发表基础研究类又发表工程应用类文章的综合性大刊，2025年获首个影响因子6，2024年入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。