如何实现精准定位超声还有待探索
最佳的给药系统应该是非侵入性的，精确地靶向与疾病有关的特定组织或细胞，达到产生预期生理反应的浓度和持续时间，而不会产生过多或不足的效果。这种精确性对于广泛的疾病治疗至关重要，从神经活动调节的时间激活，到治疗慢性疼痛的逐渐释放，再到不同疾病进展阶段药物的顺序控制。光遗传学等尖端技术使科学家能够对特定细胞或突起的视蛋白进行复杂的分子操作，大大提高了我们对大脑过程的理解，并为按需治疗神经疾病提供了可能。然而，由于光子在生物体内传输效率低下，它们在深层组织中的应用受到限制，非侵入性分子操作在临床治疗应用中具有很大的前景。
超声波可编程的HOF以非侵入性和时空性地控制细胞事件
在这项研究中，
德克萨斯大学奥斯汀分校
王辉亮课题组
、得克萨斯大学圣安东尼奥分校
陈邦林
提出了
使用多孔氢键有机框架(HOFs)作为聚焦超声(FUS)可编程触发药物激活的工具包的概念
，通过按需切断超分子相互作用来控制脑深部的特定细胞事件。
作者建立了机械化学断裂和超声力学的可视化理论模型，为机械响应材料的合理设计提供了有价值的指导，从而实现可编程控制。为了证明这种方法的实用性，作者将设计药物氯氮平n-氧化物(CNO)包封在最佳的HOF纳米晶体中，用于FUS门控释放，以激活小鼠和大鼠腹侧被盖区(VTA)的工程G蛋白偶联受体，从而实现靶向神经回路调节。这项工作证明了超声波精确控制分子相互作用的能力，并开发了超声波可编程的HOF，以非侵入性和时空性地控制细胞事件，从而促进了精确分子治疗的可能性。相关工作以“
H-bonded organic frameworks as ultrasound-programmable delivery platform
”为题发表在Nature。
【文章要点】
一、机械响应性HOFs的表征
作者通过调整有机连接单元(OMBU)的结构，合成了4种不同的HOF纳晶:HOF-TATB、HOF-BTB、HOF-101和HOF-102。它们的尺寸在250-600 nm范围，分散性良好。HOF-TATB的晶体结构通过微小晶体电子衍射法首次确定，呈现双重互穿的3D氢键网络结构，具有1D孔道和良好的吸附性能。研究发现，不同HOF纳晶在特定超声功率下(1.5 MHz， 8.04 MPa)会达到特征性的解离平衡状态:HOF-TATB最高达91.8%，HOF-BTB为45.3%，HOF-101和HOF-102较低。这种超声驱动的框架解离是热力学过程，与超声应力而非热效应有关。通过调控超声功率，可实现对HOF纳晶的可编程性和选择性激活。总之，这项研究揭示了HOF纳晶作为潜在的超声机械响应平台的独特优势，为进一步开发先进的刺激响应性材料提供了新思路和实验依据。
图1 机械响应性HOFs的表征
二、HOF-TATB纳米晶体的超声控制载物释放及其对神经活动的体外调节
HOF纳晶具有优异的药物负载能力，HOF-101和HOF-102的负载量可达27%和29.8%。这有利于减少药物给药量，降低副作用。HOF纳晶在无超声条件下很少出现药物的预早释放，如HOF-TATB只有5.5%的预早释放。而在超声刺激下，药物释放比例随着超声峰压力和HOF的Ecohesive值而增加。HOF-TATB对超声最敏感，在较低的超声压力下(0.51 MPa)即可触发药物释放，可重复触发，具有高时间分辨率。HOF纳晶可用于装载多种药物，如D-clo、多巴胺和普鲁卡因等，并通过超声触发实现按需释放。HOF-TATB纳晶在体外示出良好的生物相容性和安全性。作者将HOF-TATB纳晶装载药物CNO，通过超声刺激可在培养的转基因神经元中实现快速(<1.6 s)、持续(>60 s)的神经元激活，为化学遗传学应用提供新思路。
图2 HOF-TATB纳米晶体的超声控制载物释放及其对神经活动的体外调节
三、小鼠体内超声化学遗传学实现深部脑刺激
作者利用金属有机框架(HOF)纳晶技术，实现了对深部脑区神经元的精准化学遗传学调控 。HOF-TATB纳晶装载药物CNO (TATB@CNO)，结合超声刺激，可在小鼠腹侧VTA脑区诱发快速(<3.5 s)、持续(>120 s)的神经元活动激活。这种"超声化学遗传学"技术能调节小鼠的奖赏学习行为，使其在有TATB@CNO和超声刺激的环境中，更倾向于探索熟悉的区域。在强制游泳实验中，TATB@CNO和超声刺激能增加小鼠的游泳活动，提示该技术可能调节抑郁相关行为。为期14天的体内实验表明，该技术未引起明显的脑组织损伤或血脑屏障开放。该技术可以克服传统化学遗传学时间分辨率低的问题，为神经科学研究提供新的调控手段。虽然以小鼠为研究对象，但该成果为进一步在大型动物模型上的临床转化奠定了基础。
图3 小鼠体内超声化学遗传学实现深部脑刺激
四、大鼠体内超声化学遗传学实现深部脑刺激
作者进一步将UltraHOF超声化学遗传学技术应用于大型动物模型大鼠。在大鼠腹侧tegmental区(VTA)中，通过UltraHOF-TATB@CNO技术可诱发快速(8.8 s)、持续(>60 s)的神经元活动激活，效果与小鼠实验结果一致。免疫组化分析显示，该技术可特异性地激活VTA区域表达hM3D(Gq)受体的神经元，而不会影响其他神经元。采用条件位置偏好实验(CPP)，作者证明UltraHOF-TATB@CNO技术可有效调节大鼠的奖赏学习行为，表现为对受到超声刺激的环境更有偏好。上述结果表明，该技术可实现对深部脑区的非侵入性遗传靶向调控，即使在大型动物模型中也能达到理想的效果。这些发现进一步验证了UltraHOF技术在神经科学研究和潜在临床应用中的价值。通过在大鼠模型上的成功转化，为该技术的后续临床转化提供了更有说服力的实验依据。
图4 大鼠体内超声化学遗传学实现深部脑刺激
【结论与展望】
本文通过精细调控HOF分子结构中的氢键和π-π相互作用，实现了其在水溶液中的可控稳定性、高药物负载能力以及对超声的响应性。作者建立了一个理论模型，阐明了HOF分子结构和功能之间的关系，为精准设计具有可控超声激活特性的HOF建立了基础。作者将这种"UltraHOF"技术应用于化学遗传学调控，在小鼠和大鼠的深部脑区实现了高时间分辨率(秒级)、持续时间长(>1分钟)的神经元活动调控，且具有良好的生物安全性。这种非侵入性的精准脑区调控技术，不仅可用于神经科学研究，还为各种细胞事件的深层组织调控提供了新的技术路径，如可编程分子机器人等应用具有广阔前景。总之，这项研究工作通过对HOF分子结构的精细化设计，开发出一种新颖的超声响应性药物递送平台，在神经科学和医疗治疗领域展现出巨大的应用潜力。这种能够精准、非侵入性调控深层生物组织的技术，为分子水平的生物操控开辟了新的研究方向。
