細胞外電刺激（ extracellular electrical stimulation ）可以活化神經細胞，進而調節生理功能，具有治療疾病的潛力，例如調節胰島素的製造、食物的攝取量、平滑肌張力等 [1]。舉例來說， 2011 年有研究團隊將有機聚合物作為可讓神經細胞附著、並使用光調控電刺激的介面，有助於人造視網膜等醫療器材的研發 [2]。
然而，先前的技術較難作為臨床使用，且會造成細胞內溫度上升，這種熱效應可能會對細胞造成不良的影響 [3]。雖然使用光遺傳學（ optogenetics ）的技術可以有效避免對細胞加熱的情形，但目前活體內的基因改造仍有一定爭議，因此較難被作為實際治療的手段。
來自芝加哥大學田博之教授（ Bozhi Tian ）的團隊希望開發可以做為臨床使用、且非基因改造的技術，利用雷射激發半導體矽奈米線（ Silicon nanowires ）產生微電流。半導體奈米線的核心為 p 型半導體，中間層為本質半導體，外殼為 n 型半導體（此奈米線簡寫為 PIN-SiNW ）。當光激發半導體奈米線時，電子移動至外殼，電洞移動到奈米線的末端，造成交界面電解質（electrolyte）的氧化還原反應，如圖一所示。作者認為，此光電化學反應（ photoelectrochemical reaction ）可以在 PIN-SiNW 與細胞的接觸面產生微電流，進而使細胞產生動作電位。
圖一、 PIN-SiNW 的結構及原理。PIN-SiNW 由 p 型半導體的核心、本質半導體的中間層及 n 型半導體的外殼構成。當光照時造成電子往外殼移動，電洞往兩側末端移動，和周圍電解質交互作用產生光電化學反應。圖片來源：https://doi.org/10.1038/s41565-017-0041-7
而研究團隊也將 PIN-SiNW 固定在微量吸管（ pipette ）上，使用膜片箝制（ patch clamp ）技術檢測矽奈米線照射 532 nm 雷射之後電流的變化，結果證實對 PIN-SiNW 照光後，可以在周圍的液體測得微電流，且其小和光源功率、照光時間相關（圖二）。
圖二、利用膜片箝制實驗顯示 PIN-SiNW 可造成微電流。（a ）膜片箝制實驗示意圖：將 PIN-SiNW 固定在微量吸管後以 532 nm 雷射照射並記錄周圍電流變化；（ b ）在相同光照功率下，越長的照射時間產生的微電流持續時間越長；（ c ） 在相同照射時間下，越高的光照功率產生的微電流越高。圖片來源：https://doi.org/10.1038/s41565-017-0041-7
驗證 PIN-SiNW 可以產生微電流後，作者將 PIN-SiNW 加入從新生大鼠（ neonatal rats ）提取的初級背根神經節細胞（ primary dorsal root ganglion neurons ）中， PIN-SiNW 會和細胞有小面積的接觸（圖三）。並同樣以 532 nm 雷射照射，發現細胞有動作電位的產生，且動作電位的強度、波型、持續時間等特性可以透過光照功率、時間來調控（圖四）。
圖三、將 PIN-SiNW 加入培養的大鼠初級背根神經節細胞。掃描式電子顯微鏡（ SEM ）的影像顯示 PIN-SiNW 和細胞小面積接觸的情形。圖片來源：https://doi.org/10.1038/s41565-017-0041-7
圖四、利用光照 PIN-SiNW 所引發的細胞動作電位的可調控性。（ a ）在相同光照功率下，動作電位大小隨光照時間增加；（ b ）在相同照射時間下，動作電位大小隨光照功率增加；（ c ）可引發細胞動作電位之光照光率與光照時間之曲線圖以及不同組合下動作電位波型的差異。圖片來源：https://doi.org/10.1038/s41565-017-0041-7
作者亦對 PIN-SiNW 的安全性進行測試，在細胞加入 PIN-SiNW 後檢測細胞存活率，發現並不會造成細胞存活率的下降，而產生電刺激所需要的雷射光強度也對細胞存活率無明顯影響。研團隊也測量利用雷射光刺激 PIN-SiNW 時細胞溫度的變化，結果顯示溫度約上升 0.36 K ，相比於先前技術的 2 K 有明顯下降，代表安全性的提升。
這篇研究提出了透過雷射光激發 PIN-SiNW 而使神經細胞產生動作電位的方法，其優點為非侵入性、非基因改造及具有臨床使用的可能性，可應用在疾病治療等相關研究中。
參考文獻：
- Famm, K., Litt, B., Tracey, K. J., Boyden, E. S., & Slaoui, M. (2013). Drug discovery: a jump-start for electroceuticals. Nature, 496(7444), 159–161. https://doi.org/10.1038/496159a
- Ghezzi, D., Antognazza, M. R., Dal Maschio, M., Lanzarini, E., Benfenati, F., & Lanzani, G. (2011). A hybrid bioorganic interface for neuronal photoactivation. Nature communications, 2, 166. https://doi.org/10.1038/ncomms1164
- Parameswaran, R., Carvalho-de-Souza, J. L., Jiang, Y., Burke, M. J., Zimmerman, J. F., Koehler, K., Phillips, A. W., Yi, J., Adams, E. J., Bezanilla, F., & Tian, B. (2018). Photoelectrochemical modulation of neuronal activity with free-standing coaxial silicon nanowires. Nature nanotechnology, 13(3), 260–266. https://doi.org/10.1038/s41565-017-0041-7
撰文｜解淮清
審稿｜周文鴻
