来源：iNature
哺乳动物电压门控钙通道(CaV)在心脏兴奋性、突触传递和基因转录中起着关键作用。CaV功能障碍与多种心脏和神经发育障碍有关。目前增强CaV活性的药理学方法受到脱靶效应、药物代谢问题、细胞毒性和不精确调节的限制。此外，基因编码的通道激活剂和光遗传学工具受到基因传递挑战和生物安全问题的限制。
2024年10月22日，北京航空航天大学杨亚雄、刘晓冬、国防科技创新研究院张超、电子科技大学宫玉彬共同通讯在Advanced Science 在线发表题为“A Non-Invasive and DNA-free Approach to Upregulate Mammalian Voltage-Gated Calcium Channels and Neuronal Calcium Signaling via Terahertz Stimulation”的研究论文。该研究介绍了一种基于太赫兹(THz)波的新型方法，用于上调CaV的关键亚型CaV1.2，并在不引入外源DNA的情况下增强神经元中CaV1介导的Ca2+信号传导。
使用分子动力学模拟，结果表明42.5THz(7.05µm,1418cm−1)波通过与选择性过滤器中-COO−基团的拉伸模式共振来增强CaV1.2中的Ca2+电导。电生理记录和Ca2+成像证实，这些波快速、可逆且非热地增加HEK293细胞中CaV1.2的钙流入，并在神经元中诱导急性Ca2+信号。此外，这种辐射在体外和体内上调关键的CaV1信号，包括CREB磷酸化和c-Fos表达，而不会增加重大的生物安全风险。这种无DNA、非侵入性的方法为调节CaV门控和Ca2+信号传导以及治疗以CaV功能缺陷为特征的疾病提供了一种有前途的方法。
哺乳动物电压门控钙通道（CaV）将膜去极化产生的电信号转化为钙信号，介导突触传递、激素释放、血管紧张、肌肉收缩、基因表达等。CaV1.2作为十种哺乳动物CaV亚型（CaV1.1-1.4，称为L型钙通道，CaV2.1-2.3，CaV3.1-3.3）的代表，在心脏和脑中广泛表达，启动心肌细胞和平滑肌细胞的收缩，或介导神经元中的多种Ca2+信号事件。除此之外，CaV1.2还参与胰腺β细胞的胰岛素分泌，以及非兴奋性组织中的多种功能。CaV1.2功能的改变可能导致多种疾病。
例如，CaV1.2的功能获得变异与蒂莫西综合征有关，该综合征的特征是心律失常（QT间期延长）和自闭症。相反，CaV1.2功能丧失的变异型还可导致神经发育异常、癫痫、自闭症、短QT综合征等。针对CaV1通道的小分子药物已被探索了半个多世纪，并在临床上广泛用于治疗心脏和脑疾病。伊拉地平、维拉帕米和地尔硫卓等阻滞剂已用于治疗高血压、房性心律失常和偏头痛，而BayK8644和巴氯芬等激动剂则有望用于治疗缺血性神经元损伤和听力损失。
然而，由于小分子药物的多靶点特性和CaV通道的广泛组织分布，这些药物（尤其是激动剂）的应用存在多种风险，包括脱靶效应、药物代谢、药物依赖性和细胞毒性。据报道，使用CaV1激动剂治疗会诱导细胞死亡并导致心脏和脑功能障碍啮齿类动物。此外，小分子药物通常缺乏时空分辨率，限制了它们在需要在细胞甚至亚细胞水平上进行精确控制的前沿生物学研究中的应用。虽然已经开发出结合光遗传学工具的基因编码通道调节剂来实现对CaV通道的更高时空抑制，但很少有报道报道类似的增强CaV门控和信号传导的策略，而且它们的临床应用受到基因传递和生物安全问题的阻碍。因此，一种提供高时空上调的外源性无DNA、可逆、非侵入性方法将彻底改变CaV通道研究和临床应用。
THz增强CaV和神经元Ca2+信号传导的示意图（图源自Advanced Science ）从结构上看，CaV通道由成孔α1亚基和辅助亚基组成。α1亚基本身由24个跨膜片段组成，分为四个重复域(DI-DIV)，每个域包含6个跨膜螺旋(S1-S6)。S1-S4形成电压传感器域(VSD)，S5-S6形成孔区。孔区内的选择性过滤器(SF)对离子选择性和离子电导至关重要。人们普遍认为，SF中关键的带负电荷残基内的羧基(-COO−)与带正电荷的Ca2+离子周围的水分子相互作用，形成H键以实现高Ca2+离子选择性。Ca2+的高渗透性归因于进入的Ca2+离子排斥SF区域内先前进入的Ca2+离子时产生的静电排斥效应，强调了SF中带电功能基团的重要性。
由于功能基团中的化学键具有固有的振动光谱，因此引入外部电磁场可能会改变键振动，从而影响离子通道的离子电导。事实上，包括作者在内的多个研究团队已从理论上提出，离子通道，如CaVAb（一种工程化的原核钙通道）、NaVAb（一种原核钠通道）、KcsA（一种细菌钾通道）和KV（电压门控钾通道），可能通过改变其离子电导率来响应外部电磁场暴露。值得注意的是，作者的理论研究指出，太赫兹（THz，1012Hz）波通过与SF相互作用促进Ca2+渗透CaVAb，这表明与CaVAb具有相似Ca2+电导特性的哺乳动物CaV通道也可能受到太赫兹波的影响。
除了理论上对离子通道的调节外，太赫兹波还已被实验应用于各种生物对象，包括皮肤、精子、神经元、癌细胞和小鼠大脑，以研究其生物学效应，主要是因为它们具有非侵入性和无外源性DNA的特性。所施加的太赫兹波频率范围为0.1~100THz，但其中相当一部分实验研究并未分析太赫兹波对生物大分子的具体调控作用。众所周知，生物大分子的转动和振动能级都在太赫兹范围内，这意味着太赫兹波对包括离子通道在内的生物大分子的影响可以归结为共振作用。对离子通道进行精确的实时电生理记录，并结合分子动力学模拟的研究，将大大提高作者对太赫兹对生物大分子，特别是离子通道影响的认识。
在这项工作中，作者受到之前理论证明太赫兹对CaVAb的影响的研究的启发，假设THz波可能促进哺乳动物CaV通道并增强神经元Ca2+信号传导（图1）。作者的分子动力学模拟侧重于Ca2+离子在有和没有太赫兹场的情况下通过CaVSF的渗透，结果表明42.5THz（7.05µm，1418cm−1）的频率与-COO−共振，促进Ca2+离子传导。在THz之前、期间和之后，HEK293细胞中重组哺乳动物CaV通道的全细胞膜片钳记录证实了42.5THz对CaV的快速、可逆和非热影响。神经元中分离的CaV电流和相关的Ca2+信号通路也证实了这种THz调制模式。此外，作者还展示了42.5THz对小鼠大脑的体内影响。总之，这些发现支持了以下观点：42.5THz波是一种外源性无DNA、急性、可逆且无创的策略，可以调节CaV通道，并有可能影响相关的病理生理事件。
