原创 长光所Light中心 中国光学 收录于话题#光遗传1个
撰稿人 |鲜辉 中科院物构所
一、导读
十年磨一剑，Tobias Moser（
）研究团队主导联合弗莱堡大学、哥廷根大学、哥廷根大学医学中心、德国生物物理化学MPI和德国灵长类动物中心听觉神经科学与光遗传学实验室等多家研究机构在近十年的研究历程中合作开发了首个多通道高频谱选择性的光学人造耳蜗技术——基因治疗和微系统工程相结合的光遗传学激活多通道听觉通路，并相继对其进行了稳定性、安全可靠性等测试和相应体外研究。同时在光遗传激发动物听觉行为实验中，光学人造耳蜗相比电子人造耳蜗在激活听觉神经上表现出了更高的频谱选择性和精确度。有望成为继电子人造耳蜗之后的下一代人造耳蜗。
历经近十年的系列研究成果陆续发表在The Journal of Clinical Investigation、Science Translational Medicine等顶尖医学期刊上。本次专栏针对Tobias Moser研究团队在人造耳蜗领域的研究，从研究思路、历程到研究阶段进展进行了专题报道，以飨读者。图源：Hearing the Light: The American Society of Mechanical Engineers、Anatomy of the ear: Getty Images
二、研究背景
世界卫生组织（WHO）发布的最新评估数据显示，全球目前共有3.6亿人存在不同程度的听力障碍，占全球总人口的5%。
据WHO官员谢莉·查达介绍，全球每3名65岁以上老人就有1人存在耳聋或听力障碍问题，而这一健康问题并非老年人专有，全球还有3200万名15岁以下儿童也存在上述问题。
加州大学尔湾分校耳鼻喉-头颈外科学系研究主任曾凡钢表示，听觉损伤或耳聋是所有遗传疾病里面发病率最高的，占千分之一到二，也即一千个新生儿里面会有一到两个患有听觉障碍。
在中国，大部分听力障碍与遗传有关，在的一场覆盖全国12个省市区、总数将近270万检测数据中，听障基因突变（高风险致聋基因）比例为4.37%，也就是说，每100名中国人里，约有4-5人携带高风险听障基因。
《中国出生缺陷防治报告（）》显示，我国每年新增听障新生儿3.5万人，再加上迟发性听损及药物性听损患者，每年新增听障儿童总计超过6万人。此外，助听器产量无法满足全球听力障碍者的需求，在发展中国家，每40位听力障碍者中只有不到1人有助听器（图1）。图1 当前广泛使用的助听器工作动画示意
图源：网络
耳蜗植入物（CI）被认为是最成功的神经假体，因为它们使患有感觉神经性听力损失的50万人造耳蜗用户中的大多数人都能进行语音理解。
目前广泛使用的电子CI通过电刺激听神经，构成了重新连接大脑和听觉场景的接口，为患者提供了有关后者的信息（图2）。
耳蜗是内耳中的一个螺旋结构，用来分析声音频率，穿过它的是一层膜，膜响应于在声音信号中发现的各种频率而在不同的位置振动被识别为语言。相应地，语言中不同的频率会影响膜不同的地方振动，振动激活附近的“毛细”细胞，进而刺激听觉神经元将频率信息通过听觉神经传递到大脑。感音性听力损伤或障碍者包含有毛细细胞的损伤或丢失，而耳蜗植入物尝试通过电极直接刺激神经元来绕过这种损伤。但是，来自电极的电流不会直接从电极流向听觉神经元，当它穿过微小的缝隙时会扩散，与任何相邻电极靠的太近的话都会引起“串音”，因此，这些设备设计的时候就被限制了电极的数量以避免干扰，同时这也限制了可识别频率的数量。由于电流难以集中在诸如耳蜗等导电环境中，电声编码的低精度特征导致了人工耳蜗的频率分辨率差以及听力恢复的质量和精度受到限制。图2 当前的电子耳蜗：内部电刺激的横向扩散较大
图源：University of Medicine Goettingen
电子耳蜗植入技术是神经科学中最成功的技术之一，但它只能部分弥补听力缺陷，而且它们并不是一种仿生装置.它们仍然不能让听力受损的人们欣赏莫扎特的交响曲，或者在当地俱乐部的喧闹中听听朋友的闲言碎语，哥廷根大学听觉神经学家Tobias Moser说:“如果他们去餐馆吃饭，他们就很难听到别人说话。而且他们在聆听旋律方面也有问题”。
三、光遗传学激活听觉通道技术
电子耳蜗植入物最多有22个频道去感知话语的频率。而在前后， Moser领导的研究团队认为：有可能通过利用光线精确刺激内耳的听觉神经元来克服这些限制。Moser希望这种方法有朝一日能改善目前的耳蜗植入技术，并使失聪人士在嘈杂的环境中也能听到对话。
Moser研究团队在The Journal of Clinical Investigation上首次提出了一种光遗传学激活听觉通道的技术，这种技术用光代替电。光遗传学是一种广泛应用于动物研究的研究技术，它将产生光敏感蛋白(channelrhodopsin-2 (ChR2)视紫红质，或称“视蛋白”)的基因引入螺旋神经节神经元（spiral ganglion neurons (SGNs)），使它们能够被光激活。
ChR2是具有良好物理特性的阳离子通道（无源导体），在物理上和结构上具有低电导率。具有不同特性的ChR2变体的产生和实验应用彻底改变了生命科学，并为诸如旨在恢复视力的医学疗法开辟了新途径。因为光可以方便地被限制在空间中以在较小的言语范围内激活听觉神经，这种光遗传学刺激作为听力恢复的替代方法，有望提高人工声音编码的频谱选择性和精度，从而改善听觉。
Moser研究团队探索了啮齿动物听觉神经元光遗传学刺激的可行性。研究人员使用在听觉神经元的Thy1.2启动子下表达ChR2的转基因小鼠和在SGNs中表达腺相关病毒介导的（AAV介导）ChR2变体CatCh的大鼠。通过光学诱发听觉脑干反应（oABRs），光遗传学和声学SGNs刺激，光诱发的单SGNs活性以及在下丘脑（IC）中记录的局部场电势（LFP）证明了SGNs的光遗传学激活（耳蜗光遗传学）（图3）。同时IC录音表明与单极电刺激相比，光遗传学刺激可以改善频率分辨率，这一发现为听觉研究和CI听力恢复提供了广阔的前景。未参与该项研究的哈佛医学院耳科医生Daniel Lee说，“在过去的十年里，耳蜗植入物的平均表现趋于平稳，所以每个人都在寻找下一个解决方案”，“光遗传学是一种合理的解决方案，因为你可以聚焦和操纵光，而这种操作在电流这种媒介上不太可能实现”。图3 光遗传学激活听觉通道技术
图源：The Journal of Clinical Investigation.124(3)() ( Fig.1,7, 8)）
四、光学CI让聋沙鼠听见光
，历时四年的艰苦研究，该研究团队继续在光学人造耳蜗技术上发力，他们利用病毒作为载体将视蛋白基因带入听觉神经元SGNs。然后，他们用一种光纤通过圆窗上的一个洞(中耳和内耳之间的一个小洞)将光线射进耳蜗，这在沙鼠的听觉脑干中产生了类似声音刺激的反应，这种机制在数周内保持稳定。
研究小组发现，耳蜗螺旋的神经元SGNs确实有表达了产生视蛋白的基因，而没有发现除听觉神经元以外的其他细胞包含该基因。通过一系列的动物听觉行为学实验，结果表明失去听力的小鼠恢复了一些听觉功能（图4）。加州大学欧文分校神经学家John Middlebrooks没有参与这项研究，但他表示:“这些结果令人印象深刻，它们显示了一种可靠的新方法去恢复失聪人士的听力。通过未来的大量研究，它有可能取得超越电子人工耳蜗的成就。” 同年，scientific American著名杂志撰稿人Simon Makin 发表评论文章Light Beam Lets the Deaf (Gerbil) Hear称： “让听力受损的人也能享受音乐并在噪音环境下自由畅谈的下一代人工耳蜗。”图4 病毒介导的SGNs视蛋白基因表达及光遗传学驱动聋沙鼠听觉行为
图源：Sci. Transl. Med. 10, eaao0540 () ( Fig.1, Fig. 2,Fig. 7)
五、Micro-LED光学耳蜗：光遗传学激活多通道听觉通路
Moser团队的研究只使用了一个光通道，因此无法测量频率分辨率——下一步的重要工作将是开发多通道设备。设备设计的选择包括Micro-LED阵列和能够引导光从光纤传输的“波导”技术。但光纤消耗了大量的能量，导致了设备的笨重。“LED更好，但更暗，因此存在一些技术挑战”Daniel Lee说。同时Moser表示:“我们大概两年后就会知道我们是否愿意将其转化为医疗设备。目前事情看起来还不错，但还有很长的路要走。”为此，他还于创办了一家名为OptoGenTech的公司，以帮助这项技术商业化。
，该研究团队经过不懈努力时隔两年时间再次助力光学人造耳蜗向商业化进程迈进。团队通过对小鼠的耳蜗3D结构进行X射线断层扫描技术获得了光学耳蜗植入物的三维模型数据，并使用该三维数据设计制造了Micro-LED 16通道光学耳蜗植入物，并将其用于在啮齿动物中表达通道视紫红质（ChR）的SGNs的光刺激。希望以光遗传学激活的方式使沙鼠的听神经产生光敏性并诱发神经反应。
首先，商用高能效的GaN基LED芯片[220×270×50×μm3]被集成到微加工的15-μm薄、包括互连线的聚酰亚胺基载体中，以通过固定或移动驱动器电路来寻址单个LED。
其次，他们在体外研究了Micro-LED多通道光学CI系统电、光和热性能，并优化了电钝化和长期用于啮齿动物耳蜗所需的机械性能。并在体外显示了数周的稳定性。通过研究团队设计的一种重量轻的无线声音处理器（一种微型刺激器），并将其头戴在大鼠身上，以驱动听觉行为实验中的LED阵列。
然后，他们将光学CI植入在泛神经元启动子Thy1.2（25）下表达通道视紫红质2(ChR2)-Venus的转基因大鼠或产后早期向大鼠或沙鼠注射携带ChR2突变型CatCh的腺相关病毒(AAV)表达ChR的耳蜗中，并通过电生理和听觉行为实验分析了多通道光遗传学SGNs刺激（图5）。
研究团队通过在听觉中脑信息的记录直接证明了改善的频谱选择性。同时在充耳不语的表达ChR的大鼠和未经治疗的对照动物中进行的长期实验中也证明了光遗传学刺激的特异性。对携带无线光学CI声音处理器的动物的行为研究揭示了听觉感受的存在。这项研究证实了基于Micro-LED多通道光学CI系统具有改善的频谱选择性的听力恢复并再次证明了其可行性。图5 Micro-LED光学耳蜗设计制造、频谱选择性和光遗传激活多通道听觉通路行为
图源：Sci. Transl. Med. 12, eabb8086 () ( Fig.1, Fig.3, Fig.5, Fig.6, Fig.7)
六、应用与展望
近十年的不懈努力，Tobias Moser研究团队证明了基因治疗和微系统工程学的结合可以使听觉神经具有更高的频谱选择性和精确度，进一步证实了该项技术的可行性。尽管光学人造耳蜗技术要进入临床还有很长的路要走，还需要进一步的工作来将Micro-LED的多通道光学人造耳蜗转换为临床应用（图6）。但随着实验研究和科学技术的发展，以光遗传学为基础的听力恢复可能会克服电听力恢复的主要瓶颈，从而在将来提高人工声音编码的质量，进一步推动该技术的产业化和商业化进程，造福更多患有听力障碍的患者。图6 未来的光学耳蜗：多通道发射极光线聚焦于听神经
图源：University of Medicine Goettingen
七、文献链接
1. “Optogenetic stimulation of the auditory pathway”
The Journal of Clinical Investigation DOI: 10.1172/JCI69050
2. “Optogenetic stimulation of cochlear neurons activates the auditory pathway and restores auditory-driven behavior in deaf adult gerbils”
Science Translational Medicine DOI: 10.1126/scitranslmed.aao0540
3. “Multichannel optogenetic stimulation of the auditory pathway using microfabricated LED cochlear implants in rodents”
Science Translational Medicine DOI: 10.1126/scitranslmed.abb8086
七、团队负责人简介
Tobias Moser，哥廷根大学医学中心听觉神经科学教授。1995年在耶拿大学获得博士学位。从1994年至1997年，在E. Neher教授（1991年获诺贝尔生理与医学奖）实验室进行博士后研究。1997年至2001年，担任哥廷根生物物理化学MPI初级组组长。自2001年以来，担任哥廷根大学医学中心耳鼻喉科的InnerEarLab和临床工作负责人，哥廷根大学医学中心听觉神经科学研究所所长，实验医学和生物物理化学MPI和德国灵长类中心组组长。
主要研究领域听觉系统中声音编码和信息处理的分子解剖学、生理学和病理生理学研究，以及通过基因替代疗法和光遗传学刺激恢复听力。通过结合各种技术从分子到突触水平来表征毛细胞和听觉脑干的突触并提出了听觉突触的概念。为了恢复听力，Tobias Moser教授的目标是建立病毒介导的听觉神经病学基因替代疗法，并追求听觉神经的光遗传学刺激，以提高人工耳蜗的性能。
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原标题：《十年磨一剑，从电子耳蜗到光学耳蜗》
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