遗传学在生活中的应用范文第1篇

关键词：高中生物；遗传；应用；育种

遗传与进化有助于学生认识生命的延续和发展，了解遗传变异规律在生产生活中的应用；理解遗传和变异在物种繁衍过程中的对立统一，生物的遗传变异与环境变化在进化过程中的对立统一，形成生物进化观点。由此可以看出，遗传对我们人类的健康发展起着非常重要的作用，现在就对遗传知识的应用进行简单的介绍。

人类遗传工程是人类对自身基因进行“改良”，包括对人生殖细胞中个别基因的“修正”“改良”，直至整个基因组的重新构建。如：一个血型为A，色觉正常的妇女，有五个孩子，他们是：A、儿子血型A色盲B、儿子血型O色盲C、女儿血型A色盲D、女儿血型B色觉正常E、女儿血型A色觉正常；该妇女在不同的时间与两个男人发生关系，男人1的血型为AB，是色盲，而男人2的血型是A，色觉正常。那么，以上每种情况中，两位男人中的哪一位可能是父亲：A、其父亲可能是男1或男2B、其父亲是男2C、其父亲是男1D、其父亲是男1E、其父亲可能是男1或男2。

从这个题目中不难看出，遗传在人类生活中的应用广泛。所以，教师在引导学生解决该问题时，首先，让学生明白色盲是由于什么遗传的（X染色体，隐形遗传）。之后，让学生自己动手推理出该父亲是谁。在这个教学中，教师将主动权交给了学生，让学生自己去推理，提高学生自主学习能力的同时，又让学生感受到遗传应用范围的广泛；让学生重视生物教学，使学生得到更好的发展。

除了对遗传病的作用及影响外，遗传变异在育种上也有广阔的应用。在生物学中，育种的方法很多。如，杂交育种、人工诱变育种、单倍体育种、多倍体育种等等。他们的育种原理都由于基因重组、基因突变和染色体组的成倍减少和增加造成的。

以无子西瓜为例进行简单介绍：无子西瓜是通过多倍体育种的方式培育出来的，无子的原因是由于生物体是三倍体，在减数分裂时因联会紊乱，不能形成正常的生殖细胞，不能正常地进行受精作用，从而导致果实无子。使用二倍体西瓜成熟花粉，其作用是诱导生长素的合成，刺激子房发育成果实。最终形成无子西瓜。

遗传学在生活中的应用范文第2篇

1.1教学设计思想

此节课将通过探究实验培养学生的科学态度和合作精神，同时培养学生的评价水平，以教师为主导、学生为主体，培养学生归纳总结的能力，并使学生学会伴性遗传题的解题方法。

1.2学习目标

1.2.1知识目标

①了解伴性遗传的应用。②概述伴性遗传。

1.2.2能力目标

①培养观察能力、综合分析能力。②运用所学的知识解决遗传学的问题，培养解决问题、分析问题的综合能力和创新精神。

1.2.3情感、态度与价值观目标

①通过对色盲情况的了解培养对科学探究的兴趣。②了解伴性遗传在生产实践中的应用，尤其是在优生优育方面，增强提高人口素质的责任感。

1.3重难点

重点：伴性遗传的特点；难点：分析人类红绿色盲症的遗传方式。

解决对策：

(1)激发学生自主参与、体验科学探究的过程。

要求5个学生代表到黑板用遗传图解书写人类红绿色盲形成的主要婚配方式。同时未抽到的学生动手参与，对同小组学生的遗传图解进行评议。

(2)从学生感兴趣的红绿色盲伴性遗传特点引入，指导学生应用规律解决问题，根据红绿色盲形成的主要婚配方式，了解家族遗传，学绘遗传图谱，用直观、简洁的方式表达，使学生掌握遗传图谱类型题的解题规律。

2　学生学情分析

在学习伴性遗传之前，学生已学过减数分裂和性别决定的知识，已经掌握基因分离定律和基因自由组合定律，在已有的知识基础上，教师通过红绿色盲的调查活动及结合课堂的探究活动，对伴性遗传现象进行分析和总结。

3　教材内容分析

“伴性遗传”是人教版高中课程标准实验教科书《生物必修2・遗传与进化》第二章第三节的内容，以人类的红绿色盲症为例，总结伴性遗传的特点和规律。

4　教法设计

①利用教学课件，结合教学课件，采用探究、讨论相结合模式，利用资料分析和遗传图谱，采用“质疑－讨论问题－表达－交流－结论”的教学方法。

②采用讲练相结合的方法对知识进行巩固。

5　教学过程

5.1引入新课题

教师活动：人们对遗传现象进行研究时发现，有些性状的遗传现象常常与性别相关联，这种现象就是伴性遗传。

阅读P33“人类红绿色盲症”的资料：道尔顿发现色盲症……

学生活动：阅读。

设计意图：教师创设情境，激起学生求知的欲望。

5.2引导探究

教师活动：多媒体展示红绿色盲检查图。

学生活动：观察图片，亲身体验。

教师活动：指出对红绿色盲的调查，据统计，我国男性红绿色盲的发病率为7％，女性色盲的发病率为0.5％，男性患者远多于女性患者，并要求学生分析原因。

学生活动：思考问题。

设计意图：提高学生的学习兴趣。

5.3教师讲解

教师活动：原来这种病是位于x染色体上的隐性基因(b)控制的，Y染色体由于过于短小而没有这种基因。因此红绿色盲属于x染色体隐性遗传病，色盲基因是随着x染色体向后代传递的。

教师出示思考题：根据基因B和基因b的显隐性关系，说出人的正常色觉和红绿色盲的基因型和表现型。

学生活动：写男、女相关的基因型和表现型。

设计意图：学生规范书写染色体的基因型，并予以练习、巩固。

教师活动：多媒体展示基因型及表现型的规范书写方式。

5.4引导探究

教师活动：要求学生分析与上述基因型及表现型相关的婚配方式有几种。

出示学习任务：要求学生写出各种婚配方式的遗传图解。

学生活动：分析、讨论、练习画遗传图解(分组每组找一个人上黑板进行书写)。

设计意图：理解新知识、巩固旧知识，进一步激发学生参与课堂的兴趣。

5.5强化学生知识，归纳总结

教师活动：思考题：对遗传图解进行分析，色盲遗传有什么特点?

学生活动：分析、归纳、回答。

设计意图：培养小组合作精神。

教师活动：对学生的作答正确的地方给与肯定，对学生归纳不到位或有偏差的地方给予指正并用多媒体显示遗传特点。

教师提出问题：为什么患者是男性多于女性?

学生活动：思考作答。

教师活动：修正并用多媒体展示分析过程和结论：

因为色盲基因是隐性基因，女性只有XbXb才表现色盲，XbXb不表现色盲；而男性只要X染色体上带有色盲基因b就表现为色盲，所以男性色盲多。

教师活动：位于X染色体上的基因不但有隐性基因，也有显性基因，如抗维生素D佝偻病就是一种X染色体上的显性基因(D)控制的遗传病。

教师指导学生阅读课本P36，了解抗维生素D佝偻病的遗传特点。

学生活动：学生阅读、了解抗维生素D佝偻病的遗传特点。

教师活动：多媒体展示伴x染色体显性遗传特点。

设计意图：区别、比较x染色体上的显性基因、隐性基因控制的遗传病的特点。

教师活动：伴性遗传现象在生物界中普遍存在，除了人类的红绿色盲、抗维生素D佝偻病、人的血友病、外耳道多毛症、芦花鸡羽毛上的黑白横斑条纹、雌雄异株植物(如女娄菜)中某些性状都是伴性遗传。其中人的外耳道多毛症基因位于Y染色体上，那么该性状的遗传有什么特点?

学生活动：思考并得出答案。

教师活动：我们研究伴性遗传有什么意义呢?请阅读课本P37，了解伴性遗传在生活实践中的作用。

学生活动：学生阅读，了解伴性遗传生活实践中的作用。

遗传学在生活中的应用范文第3篇

1．基于物质层面的文化建设，科技职业学院(原农业职业技术学院)引进了部级非物质文化遗产项目:蓝印花布印染和通派盆景技艺入校，建设了蓝印花布技艺传承基地和通派盆景园，将极其富有地域特色的民族优秀传统文化朴实地呈现给青年学生。，职业大学在非物质文化遗产保护中心、工艺美术行业协会和狼山风景名胜区管理委员会的支持下建立了红木雕刻传承基地:朱宇雕刻艺术馆。该基地占地3亩，分为教学、展示、操作三个区域，为艺术设计学院学生提供实习实训场所。工程职业技术学院(原纺织职业技术学院)建校100周年之际正式开放文博馆，该馆建筑面积约5000平方米，展厅面积达3800平方米，资料、藏品、图片等约4000件，有四个独具特色的分馆，其中沈寿刺绣传习馆和色织土布技艺馆有力地推动了非物质文化遗产项目的传承和保护，发挥了积极的宣传展示作用，为建设具有地域特色的校园文化开辟了新的道路。

2．基于学生活动层面的文化建设，航运职业技术学院开展了“五月风”非物质文化遗产进校园系列活动，学院艺术系专业的学生参与了整个活动的策划和设计工作，得到了一次难得的实践机会，提高了组织协调能力，专业技能和动手能力。活动不仅丰富了校园文化生活，使学生接受了文化、艺术的熏陶，还弘扬了中国传统文化，提升了校园文化品位，科技职业学院成立了“非遗寻访”暑期社会实践团，一行30余人，来到非遗园参观展馆:木版画、仿真绣、红木雕刻、板鹞风筝、扎染等馆，并在扎染坊的老师指导下，体验了扎染技术，自制扎染手帕。航运职业技术学院还组织了“江海流韵宣讲团”，利用新媒体举办了非物质文化遗产保护公益性活动，取得了较好的收效。此外，各个学校还积极组建学生社团、协会，开展形式多样的非物质文化遗产保护和传承活动。例如科技职业学院园林园艺协会的两名学生在非物质文化遗产通派盆景的蟠扎技艺传承人袁华指导下参加“省大学生创新、创意、创业大赛”，勇夺第一名。

3．基于专业课程层面的文化建设工程职业技术学院与文学艺术界联合会联合举办“民间工艺进校园活动”，将非物质文化遗产项目:仿真绣、板鹞风筝、如皋丝毯等民间工艺引进校园，通过与企业和非物质文化遗产传承人的合作，成立工作室，组建了一支包括中国工艺美术师和设计师在内的科研团队，将研发工作和专业课程教学相融合，以创新的民间工艺品设计为载体，以工作室为平台和相对应的专业对接，将非物质文化遗产的保护和传承融入课堂，融入教学。科技职业技术学院的蓝印花布技艺传承基地涵盖了蓝印花布制作的每一道工序，设计专业的学生得到了吴元新先生心口相传，学习并整理研究蓝印花布的技艺和图案设计，掌握了蓝印花布生产的整套工艺，抢救了一批珍贵的图案造型，并且通过建设数字化平台手段加以传承和保护。

4．基于科研立项层面的文化建设近年来，各高职院校的教师结合着非物质文化遗产保护和传承开展研究，参加省市的各项“非遗”研讨会，加盟或成立有关学会，积极立项或发表文章。如:2013年，科技职业技术学院成功申报了省“十二五”规划课题;工程职业技术学院申报的社科基金项目“非物质文化遗产仿真绣的研究与发展”现已结题，在非遗的传承和实践方面取得较大突破。在学院教师的带领下，学生也纷纷结合自己在非遗保护和传承活动中的所学所想，参与“大学生创新计划”多项。

二、非物质文化遗产服务高职校园文化建设的实施途径

1.营造非遗保护和传承的教育氛围在非物质文化遗产保护和传承中，校园的教育氛围起着举足轻重的作用。学生在这种氛围下往往会受到潜移默化的影响。各高职院校应积极营造出非物质文化遗产教育的环境，使非物质文化遗产保护和传承的教育氛围多层次、多角度、多类型，并逐步大众化、规模化和多样化，以此来提高学生的人文素养。如在校园内设置橱窗宣传“非遗”文化，张贴“非遗”保护标语，校园内放置“非遗”标志物等;利用校园微博、微信等新媒体，展示具有地域特色的“非遗”文化，让学生们接受“非遗”文化的熏陶，感受中国的传统文化。(

2.将“非遗”保护和传承与学生社团活动相结合学生社团是校园文化不可或缺的部分，是提高学生综合素质的重要平台。高职院校的社团种类繁多，但关于非物质文化遗产的社团较少。我们应该积极创建并支持此类社团。另外，高校可开展特色的校园活动。如组织师生学习、表演非遗作品;或者举办与“非遗”文化相关的知识竞赛，鼓励师生以“非遗”为素材进行创作，举办“非遗”作品展览，邀请传承人进校园表演、讲座。另外，搭建校外实习实践平台，进行校外实践活动也是非常必要的。如开展一些“非遗”项目调查、研究、保护、宣传等工作，进行有关非物质文化遗产的学习体验活动。让学生近距离接触中国传统文化。这类学生社团活动和学生实践不仅能够加深学生对非物质文化遗产的认识和理解，还可以让学生深切感受到民族民间文化的弥足珍贵，更加喜爱民间艺术，用丰富多彩的校园活动潜移默化地影响学生，以激发学生对非物质文化遗产的喜爱之情，从而升华为对祖国、民族的热爱与自豪，同时提升学生对传统文化学习的兴趣，对大学生进行人文底蕴、人文品格和人文情怀的培育与熏陶，打造异彩纷呈的校园文化。

3.将“非遗”保护和传承与专业建设，课程建设相结合非物质文化遗产作为中国传统的民俗文化，其内涵丰富，并不缺乏教育的功能。而高职院校现有的课程较少涉及到“非遗”文化，难以满足社会的需要。对于非物质文化遗产进课堂，笔者认为，一方面，应该在课程项目立项阶段筛选出适合相关专业发展的非遗项目进行市场调研，综合传承人的意见，确定课程门类，制定课程目标及课时分配。高职院校应根据自己学生的具体情况，充分利用自身校企合作的平台，使该课程发挥出其优势。另一方面，非物质文化遗产项目要与高职院校现有专业相融合，将非遗文化与专业技能结合起来。例如，科技职业学院将蓝印花布印染技艺与学生的艺术设计专业课程融合在一起，设计出图案更为精美的蓝印花布。这样不仅推广了蓝印花布的印染技艺，还使与之相关的专业学生成为保护此非遗项目的新丁。甚至将其开发成新的旅游纪念品。

4.构建“非遗”保护和传承三位一体的合作新模式“非遗”文化的保护与传承没有固定的方法，却有着相同的原则。在其保护和传承的工作过程中，高职院校可以构建三位一体的合作模式，就是指高职院校、地方政府与“非遗”传承人依托非遗实习实训基地这一平台对非物质文化遗产进行行之有效的科学的保护与传承。高职院校在非物质文化遗产的保护与传承工作中所发挥的作用是任何一方都无法代替的，它应承担起唤醒社会保护意识、抢救文化遗产的重任，通过学术研究、课程建设、校园文化培育等多种方式对非物质文化遗产进行科学有效的保护与传承;然而这个过程必须有政府部门的整合与协调，建立包括政策、资金、法律等完善的组织管理体系;传承人的创作是非物质文化遗产无形的精神因子，是民族文化生命的密码，其中所具有的特定思维、精湛技艺、文化意识是珍贵而无法复制的。整合三股力量的优势资源，调动所有积极因素，形成合力，共同构建高职院校、地方政府与“非遗”传承人三位一体的合作新模式。

5.将“非遗”保护和传承与教师队伍相结合非物质文化遗产保护和传承与教师队伍相结合，无论从保护传承角度还是师资队伍建设来看都是获益的。“非遗”传承人走进校园，开设专修课程，举办讲座，对高职师资队伍是个有效的补充。高职院教师，尤其是部分学历较高并积极参与非遗文化进校园活动的教师，对非物质文化遗产保护传承工作是一股强有力的支持力量，弥补了部分“非遗”传承人学历较低的局面。两者的结合，可通过以下三种方式进行:一是聘请非物质文化遗产传承人为高职院校兼职教师，定期开展文化讲座、选修课程等;二是让参与非遗保护和传承工作的高职教师拜传承人为师，这样可代替不能参与到高职院校教学的传承人。这样的拜师，不是单纯的传授非物质文化遗产技能，更重要的是一种传统文化的传授，也是对非遗传承工作的有益补充。三是可以组建“高校教师+传承人”的教学团队，将非物质文化遗产代表作项目传承人聘为传习课程专业师资。通过民间艺人与高校教师共同参与、同台授课的方式，组建了“高校教师+传承人”的教学团队，形成了一支结构合理、素质优良的专业化教师队伍。

6.积极拓宽非遗保护和传承的宣传交流渠道非物质文化遗产在服务高职院校校园文化建设的同时，高校在资源整理方面也要注意方式的创新。除运用传统的方式外，还要利用好当前的数字、网络平台。例如，可以成立学校自己的非物质文化遗产网，凭借图书馆资源，建立一个完备的数字化资源库，把资料和研究成果等用文字、图片、视频等影像化方式记录下来，妥善保存并合理加以利用，从而拓宽宣传渠道。当然，高职院校更应加强校与校之间的非物质文化教育交流。

三、总结

遗传学在生活中的应用范文第4篇

关键词：高校教育；非物质文化遗产；教学方式

非物质文化遗产是人类社会历史发展过程中经过世代承袭的产物，是民族记忆与文化的重要载体。随着城市化、工业化的快速发展，非物质文化遗产受到了相应的冲击，面临着艰难的处境，所以相关部门要予以重视，加强保护工作。高校教育对人才培养、科学研究以及文化传承与弘扬起到了重要作用。所以高校在教学中要充分融入非物质文化遗产的相关内容，通过课堂教W与课外文化保护活动的结合，促进我国非物质文化遗产的保护。

一、非物质文化遗产融入高校教育的意义

我国文化博大精深、源远流长。人类历史发展长河中留下了无数宝贵的精神文化，对文化的传承与保护是每个人应尽的责任与义务。保护非物质文化遗产不仅需要政府的力量，还需要社会大众共同努力。高校教育具有文化传承与创新发展的作用。高校在教学过程中融入非物质文化遗产的相关内容，能够促进民族文化的发展，使当代大学生成为民族文化传承与发展的主力军；能够推动我国民族文化的传承，增强文化竞争力。

非物质文化遗产是传统文化中的重要组成部分。在高校教学活动中融入非物质文化遗产的相关内容能够最大限度地发挥文化保护的作用。将当代教育与民族文化进行融合，有利于形成全新的文化保护与传承体系，在增强校园文化氛围的同时，加强大学生对民族文化的重视与保护，延续传统文化的生命力。

二、非物质文化遗产融入高校教育的方式

1.设立专业，在课堂教育中融入传统文化概念。课堂教学是当前高校培养人才的主要方式。非物质文化遗产要融入高校教育，就必须在课堂教学中得到充分体现。教师要总结非物质文化遗产教学的主要内容，制订合理的教学计划，设立与非物质文化遗产保护相关的专业，增强教学的有效性。非物质文化遗产的保护和传承需要更多的专业性人才。但是就目前我国的高校教育体系来看，还需要加强教育专业的设置。在文化底蕴较为浓厚的地区，要将当地非物质文化遗产充分融入高校教育中，在高校中培养更多与此相关的人才。非物质文化遗产属于社会学和人类学的范畴，高校要在相关专业的基础上进行教学结构的革新，改变原有的教学内容，使其融入教学过程中。要对其他专业要进行相应的补充，将非物质文化遗产作为重要的选修课融入教学实践中。高校在编写教材时可以融入曲艺杂谈、音乐舞蹈、剪纸刺绣等传统文化资源，加大宣传力度，从而实现非物质文化遗产的传承与保护。以往的教学大多是单方面的口头讲述，这样的教学很难激发学生的学习兴趣。随着科学技术的发展，教育中融入了多媒体信息技术，这样教学地点可以设置在相关的文化场所，如文化展演厅、村落社区等地，让学生在真实的环境中感受非物质文化遗产。

2.开展教学保护活动，保障文化遗产的传承。教师在教学活动前，要对非物质文化资源进行有效整合，构建适应当前教育发展的教学体系。要认识到传承非物质文化遗产的重要意义，探索相关的教学模式与方法。高校要充分利用人才培养的优势，发挥文化教育对人才培养的作用。如高校可以成立与非物质文化遗产相关的社团组织，鼓励大学生参与到文艺演出、学术研讨会、知识竞赛等活动中。

3.加强非物质文化遗产的研究工作。为了让大学生成为非物质文化遗产的传承与继承者，教学中不仅要让学生感受到文化的力量，课外还要进行研究活动，安排学生到技艺传承人所在地、文化展馆等场所进行探究学习。教师指导学生研究相关课题，然后学生通过自身走访与查阅资料的方式进行学习，发现非物质文化遗产中的价值。

三、结语

总之，在高校教育中融入非物质文化遗产具有重要意义。我们应立足于教学实际，在教学中融入非物质文化遗产，促进我国优秀传统文化的继承与发展。

参考文献：

[1]龚春英，叶勇明.高校推广非物质文化遗产保护教育的路径研究[J].泉州师范学院学报，2014，32（1）：107-110.

[2]丹，刘慧萍.高校非物质文化遗产教育问题及其对策研究[J].黑龙江省政法管理干部学院学报，2011（1）：101.

遗传学在生活中的应用范文第5篇

关键词：光遗传学；上转换纳米粒子；近红外光转换器；光调控；离子通道；生理活动

0引言

精准调控生物分子以及生理过程，对于理解疾病的发生发展和实施有效的治疗具有重大意义[1-2]。而离子通道作为细胞膜的主要成分，对于神经、肌肉等其它系统的电生理信号的传导和整合起到关键作用，它的活化或功能障碍会影响正常生理及病理进程，比如大脑思维，肌肉收缩和离子通道病[3-5]。目前，常用于离子通道调控的策略有以下几种：(1)化学分子作用，如离子通道激活剂或阻断剂；(2)基因工程干预，如特异性地表达、敲除或沉默目的基因来影响通道蛋白的活性；(3)物理电刺激，作用于特定的电压门控离子通道[6-9]。尽管这些方法都取得了一定的进展，但在实际应用中依然存在着许多挑战。例如，化学药物随血液循环的非识别性积累及作用难以避免，这极大地限制了调控的空间分辨率[10]。再者，化学或遗传扰动的不可逆性也阻碍了实际调控的时间准确性[7]。此外，尽管电学模式的物理刺激，尤其是对于深部大脑刺激而言，显示出很好的时空准确性和应用价值。但是，实际操作中需要高侵入性地在深层脑组织植入电极或芯片，会造成潜在的临床不良反应[11-12]。

因此，迫切需要开发精度高、损伤小的调控膜离子通道的有效技术。近年来，使用光来控制生物分子和生理过程已引起了广泛关注[13-15]。其中一种新兴的被称作光遗传学的生物技术被应用于神经科学领域，并且能高选择性地，甚至在毫秒级的时间分辨率下实现神经功能的操控[16-18]。更重要的是，通过基因工程对光敏视紫红质离子通道蛋白进行改造，使其在离子特异性以及光谱响应性2个方面进一步多样化。这为推动光遗传学在更复杂的生物体系应用的提供了机会，不仅在体外单细胞水平，还在自由活动动物上对脑回路介导的行为学进行调控[19-22]。然而，尽管这些技术取得了令人瞩目的成就，但目前报道的光敏感视紫红质蛋白，或其它用于膜通道调节的光遗传学工具主要是在可见光区工作。由于可见光组织穿透性不足，生物体吸收和散射严重，这些因素极大地限制了光遗传学在体内应用[18，23-25]。虽然有研究报道通过光学纤维或微型发光二极管植入可以做到深层脑组织刺激，但这种高度侵入性的手段会引起一定的安全隐患[26-27]。由此，开发新的光遗传学技术，使其能够在活体条件下无(微)创地、有效地调控深层部位膜通道具有重要意义。

值得注意的是，科学家们目前为实现体内有效的光遗传学刺激做出了多方面努力，其中将光敏离子通道蛋白激发波长移至近红外窗口(＞700nm)被认为有利于更深的组织穿透能力[24，28-29]。比如通过基因工程化的策略，目前不同突变视紫红质离子通道蛋白的响应光谱已经从蓝光红移到黄光，甚至红光区域，但这些光遗传学体系仍局限在可见光波长范围内(表1)[30-31]。此外，通过使用近红外光响应纳米材料作为光转换器，进一步原位刺激光遗传学工具，可以增强光穿透能力进而调控离子通道的活性[32-34]。其中，镧系元素掺杂的上转换纳米粒子作为独特的光学材料被选为潜在的光纳米转换器。该材料具有将近红外光(如980或808nm)转换为紫外、可见或近红外区域的多种发射的性能(表2)，鉴于其较少的散射和更深的组织渗透深度，已被广泛地应用于生物成像和纳米医学研究领域[35-39]。基于此，近年来人们将镧系元素掺杂的上转换纳米粒子与各种光敏离子通道蛋白结合，实现了近红外上转换的光遗传学调控，并取得了显著的研究成果[32，40-41]。

因此，我们聚焦于生物医学研究中将近红外上转换纳米转换器用于光遗传学调控的最新成果。首先，我们对特定功能的上转换纳米平台与光敏离子通道蛋白结合的策略进行了总结；其次，详细地介绍了上转换光遗传学的广泛应用以及可改进的技术；最后，关于进一步推进该技术向临床转化并克服当前挑战提出了建议和展望。

1开发上转换纳米粒子介导的近红外光遗传学平台

通过匹配不同光敏视蛋白的激活波长，选择适当的上转换纳米粒子作为近红外光转换器，这种组合策略可以灵活地实现特定离子通道的激活。2011年，Deisseroth等[53]在一项专利申请中首先提出了这个理念，并列举了各种上转换纳米粒子与细胞膜上光响应视蛋白表达的神经元组合并进行光调控的方法。在2013年，Han等在一项基金申请里介绍了用于体内神经元无光纤操控的上转换光遗传学设计。此后在2015年，不同研究团队分别报道了在体外体内成功地实现了上转换光遗传学调控的研究[54-55]。

例如，Yawo等[40]使用蓝色发光(发射峰在450和480nm)的上转换纳米材料NaYF4∶Yb/Sc/Tm@NaYF4，在近红外976nm激光照射下，可以有效地激活PsChR离子通道，并产生明显的动作电位；另外，利用发出绿光(550nm)的NaYF4∶Sc/Yb/Er作为近红外光转换器，进而可用于激活表达细胞中的C1V1或mVChR1离子通道蛋白(图1)。进一步地研究还证明，结合上转换纳米粒子的光遗传学调控效果显示了刺激的时间和功率依赖性。但是，该研究仍有待改进空间，比如上转换发光效率，纳米材料的生物安全性等方面。

(1)将上转换纳米粒子嵌入细胞可生长的膜载体。如图2a所示，Lee等[54]制备了上转换纳米材料(NaYF4∶Yb/Tm@NaYF4)混合嵌入聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)聚合物的薄膜。这种0.5mm厚的薄膜不仅可用于神经元接触培养，还可以用作光遗传学调节的基础平台，将近红外激光转换为蓝光，随后激活表达有蓝色光敏通道视紫红质的蛋白(ChR2)的神经元。更关键地是，该体系通过1、5和10Hz的980nm脉冲激光刺激，实现了毫秒级分辨率的神经元活化响应。此外，Yawo等[40]比较分析了不同接触式细胞光遗传学调控平台的效率。根据图2b所示，方法一将上转换纳米粒子与神经元直接接触，而方法二在二者之间采用玻片间隔。实验结果发现两种方法均以激光功率依赖性的方式显示出光刺激下向内性的膜电流响应。但是，在相同的近红外激发功率下，方法一的效率明显高于方法二，说明需要将上转换纳米材料尽可能靠近地放置于光敏通道蛋白的位置，因为光子的功率密度与距离的平方成反比。

(2)将上转换纳米粒子制成微光极。Shi等[57]首先将UCNPs包装到玻璃微光极中，制成可植入的光转换器将近红外能量转换为可见光，然后刺激具有不同ChRs表达的神经元(图2c)。这些微型光学器件显示出极好的长期生物相容性，并且可以远程控制脑功能的调节，甚至用于复杂的动物行为学操控。

(3)直接利用细胞或生物体组织摄取上转换纳米粒子(图2d)。该方法在目前研究中最为常用，将功能修饰的上转换纳米粒子与所要调控的细胞孵育，或者直接通过注射的方式进入特定组织器官，待纳米粒子被有效摄入后，进行近红外激光照射并实现光遗传学调控。这种策略不仅可以达到亚细胞层面的精准光调控，而且在动物体内实验方面也易于实施。但是，局限也很突出，比如难以操作，生物安全性隐患等方面。

2近红外上转换光遗传学体系在生物功能调控方面的应用进展

近红外上转换纳米技术和光遗传学的结合，从原理上克服了体内常用光遗传学研究中遇到的局限性，包括激发光的低穿透性或者光源植入的侵入性，为神经细胞或非神经体系中膜离子通道的调控提供了巨大的机会[32]。这种灵活的光学操控技术在神经科学领域取得了一系列成果，并进一步证明了其更广泛的适用性(表3)[34，69-70]。考虑到生物的内在复杂性，到目前为止，上转换光遗传学及其他调控技术，在详细阐明基本的生理、病理方面的探索仍然处于最初期阶段。因此，下面将着重讨论目前在不同生物模型上，采用近红外上转换光遗传学调节膜离子通道、钙信号以及相关生物学活性方面的研究进展。

2.1神经细胞膜电位

将光活性蛋白用于刺激活化或抑制神经活动是近年来神经学研究中的一大创新。这种光遗传手段由于具有较低的侵入性并且能够在时间与空间尺度精确地调节神经活动，因而在神经学研究中具有较为广阔的应用前景[23]。

早在2015年，Lee等[54]报道了通过UCNP进行神经调节的应用。该研究中视紫红质离子通道蛋白通过生物工程的手段表达于神经元细胞中，在近红外光(980nm)的照射下，这些神经元能够在毫秒范围内产生持续的神经脉冲信号。在之后的研究中，科研人员设计并制备了一系列发光性质不同的UCNPs，用于不同光敏离子通道的活化[15，31]。譬如，Han等[41]设计制备了IR806染料敏化的UCNP，通过800nm的近红外光激发，实现了对红光响应离子通道(ReaChR)的调节。实验中，染料敏化的UCNP被包覆于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜中，用于海马神经细胞的培养。这些神经细胞能够实现精确的时空调节，以光强度依赖性地方式被激活并产生神经信号。除此之外，在976nm激发条件下能发射绿光(550nm)的UCNPs(NaYF4∶Sc/Yb/Er@NaYF4)也被用于刺激离子通道C1V1或mVChR1以产生光电流。而对于表达PsChR的神经元，则可以通过发射蓝光的UCNPs(NaYF4∶Sc/Yb/Tm@NaYF4)实现近红外光遗传学刺激。上转换纳米材料可调的光学性质和不同光敏离子通道蛋白的灵活搭配为近红外光遗传学体系提供了丰富多样的选择，极大地促进了后续在动物模型上的生理、病理研究。

2.2钙信号通路

不同于常见报道的UCNP-ChR体系，Zhou和Han等[55]展示了另一种基于上转换纳米颗粒的近红外光遗传学平台，被称作“Opto-CRAC”(图3a)。Opto-CRAC在细胞和活体环境中，通过近红外光照射而发出蓝光的UCNPs(NaYF4∶Yb/Tm@NaYF4)作用于经基因工程改造的光敏钙离子通道蛋白，既可以选择性地控制细胞内钙离子的流入以及受此过程调控的基因表达，进而调节机体的免疫炎症反应(图3(b～d))。通过对光信号的调节(如激光的脉冲、强度)，该体系的光遗传模块LOVSoc能够可逆地产生持久且周期变化的钙离子信号。更为重要的是，Opto-CRAC介导的光致钙离子信号通路活化可以引发免疫细胞的特异性生理响应。通过使用近红外光激活光控-钙通道，可以促进树突状细胞的成熟及抗原的呈递，进而刺激T细胞的活化。通过这种手段实现了对细胞信号通路进行的精确操作，进而调控下游信号转导，方便其在动物生理/病理研究中发挥作用。

此外，斑马鱼活体模型广泛用于生命医药领域，比如生物造影，诊断治疗及生理病理研究[61]。目前，关于近红外光遗传学调控在斑马鱼模型中的可行性研究被Xing等[62]报道。该工作巧妙地设计了808nm激发的上转换光遗传学体系，实现了对离子通道ChR2的调节以及钙离子介导的肿瘤细胞命运调控(图4)。更为重要的是，该体系揭示了在体外和活体条件下，通过近红外光介导的离子通道的调节可引起细胞的凋亡，具有进一步在肿瘤治疗方面的应用前景。

2.3线虫行为学

除了能对细胞膜离子通道进行有效地调节外，在改进上转换光遗传学研究方面，Zhang等[58]通过利用准连续波的近红外激发手段，提高了上转换发光效率并在表达ChR2的线虫体内成功地实现光遗传学神经信号及行为学调控(图5(a，b))。最近的一项研究中，Gao等[67]采用线虫模型，借助近红外激发绿光发射的UCNP对表达有Crimson光敏离子通道的不同神经元(运动神经元或中间神经元)进行调控，实现了对线虫多种运动行为的控制(图5c)。这些工作不仅揭示了增强UCNP的多光子发光效率的可能性，还通过近红外光使线虫产生了受触动刺激的反应，展现出近红外光光遗传学这种非侵入性调控策略在不同活体动物模型应用上的优势和灵活性。

2.4鼠神经活性及行为学

鼠类模型在生化、医药研究中作为一种最为普遍的动物模型，对于光遗传学的转化研究更具价值[30]。尽管深层组织的光学刺激在鼠类模型中很大程度上需要特殊的光学设施，以及复杂的实验手术操作，但随着光遗传学和上转换纳米技术的发展，通过近红外光进行小鼠脑部功能的光遗传学调控已经成为可能。

Shi等[63]报道了一种基于UCNP的微型光极器件实现了远程光学控制小鼠脑部神经元(表达有多种视蛋白如ChR2或C1V1)的目标(图6)。机械激光投射系统通过发出的近红外光，可以有效地控制鼠的不同脑部区域的功能并产生神经脉冲活动，譬如脑部纹状体，中脑腹侧盖区以及视觉皮层。值得注意的是，在另一项工作中，Shi等[63]还通过设计制备不同光谱特征的UCNPs，实现了体外与体内条件下，神经细胞的多重刺激或抑制。上转换光遗传技术在小鼠神经活动刺激研究中的成功应用，极大地促进了基础生理调控以及神经科学的发展。

另外，McHugh及Liu[66]探究了将UCNPs作为光遗传调节器以微侵入注射式的方法调控小鼠脑部深层神经元功能的可能性(图7)。该研究中，近红外介导的光遗学传刺激能够引发脑部腹侧被盖区域多巴胺的释放。在此基础上，通过刺激脑部内侧隔核的抑制性神经元，可以诱导产生神经振荡。更为重要的是，研究中这种上转换光遗传体系还可以抑制癫痫小鼠海马体中的兴奋性神经元，实现记忆恢复，展现了其在神经疾病治疗方面的巨大潜力。

除了脑部神经活动调控，上转换光遗传体系还被成功地应用于小鼠的脊柱神经调节并用以控制小鼠的行为活动。Shi等[61]用聚丙烯以及UCNP制成光极器件，植入小鼠脊柱不同部位中(图8)。这些小鼠在已麻醉的情况下，通过近红外光的刺激，可以由肌电图观测到其腿部肌肉的活动。而自由活动的小鼠，在光的刺激下其运动行为还能被有效地抑制。这种柔性器件与上转换光遗传学的结合，还展现出较好的生物相容性。在长达4个月的植入期内未引起明显的炎症，适用于动物行为学的长期跟踪研究。

3近红外上转换光遗传学技术存在的问题及改进策略

尽管上转换光遗传学前景广阔，但目前仍然面临着纳米粒子生物安全性低，近红外光上转换效率低，以及持续照射引起的热效应显著等挑战[32，71]。为了解决这些问题，科学家们已经从各方面入手来改进这项技术，以期实现更高效，更精确地生物功能调控，并进一步使未来的临床转化研究成为可能。

3.1提高上转换效率

首先，上转换纳米材料的量子效率低是实现有效地光遗传学调控的最大限制因素。到目前为止，在低于100W·cm-2的激发光功率密度下，近红外到可见光上转换效率最高仅约为5%，而考虑到实际应用中，生物机体对于辐射暴露的最大允许剂量(例如980nm，皮肤组织MPE(maximumpermissibleexposure)＜1W·cm-2)的限制，通常上转换效率会远远低于1%[72]。对此，许多研究团队提出了增强上转换效率的不同策略，包括合成核-壳结构或表面修饰来控制局部环境的猝灭效应，利用敏化剂/活化剂来改善能量转移效率，以及通过激发光源的工程化来促进光子转移等[73-74]。

将增强上转换发光效率的策略进一步应用于光遗传学调控的研究已有报道。Shi和Wang研究团队[65]最近通过合成核-壳-壳纳米结构，并优化Yb3+离子的掺杂含量，实现了3倍于传统核-壳结构纳米粒子的上转换发光增强，并将其进一步开发为一种可植入的光学传感器，用于对表达eNpHR氯离子通道的小鼠大脑活性及行为学进行光遗传学抑制。另外，Prasad等[59]在一项近红外光遗传学的工作中应用了新型的核-壳型上转换纳米粒子(NaYbF4∶Tm@NaYF4)，这种材料的发光强度比传统NaYF4∶Yb/Tm@NaYF4纳米体系发光约高出6倍。此外，Zhang团队[58]通过使用准连续波作为激发光源来进行光遗传学实验，不仅提高了上转换蓝光发射，还降低了潜在的热效应，从而实现了有效的光遗传神经调控。

3.2控制热效应

利用近红外上转换技术可以有效地激活深层组织中的光敏膜离子通道。但应该指出的是，大部分上转换纳米粒子在980nm激光照射下可能会导致局部组织的热损伤[72]。为了避免这种热效应，在实际上转换光遗传学调控中，大部分的研究只能通过合理控制激光的功率以及照射时间来控制。除此以外，将上转换激发波长从980nm移至800nm，在很大程度上降低了机体组织水的热响应，可以极大地减少激光引起的热刺激[75]。例如，在Han等[64]的报道中，使用染料敏化的核/壳结构上转换材料，可以在800nm近红外光照射下激活海马神经元中的离子通道蛋白(ReaChR)。

3.3改善生物相容性

在生物医学乃至临床应用中，无机金属纳米材料在体内的生物相容性或潜在毒性是一个重要的问题[76]。迄今为止，尚无详尽的报道涉及上转换纳米粒子本身或用于表面功能化的相关试剂和配体的刺激性及长期毒性的研究，如免疫反应和诱变作用。但可以证实的是，上转换纳米材料的形貌尺寸、化学组成及表面修饰都影响其在体外和体内的安全性[76-80]。有一些常规的策略可以在一定程度上降低上转换纳米体系的毒性，比如制备超小尺寸纳米粒子(＜10nm)以增强生物清除率[81]；选择合适的配体进行表面修饰，例如聚乙二醇(PEG)、二氧化硅(SiO2)等安全性高的生物功能修饰剂；再者，通过增强上转换发光进而降低纳米材料的使用浓度，也是一种解决剂量依赖的毒性问题行之有效的方法[82-83]。另一方面，由于生物体本身没有光遗传学工具，而通过病毒或聚合物的基因转染手段在体内表达光敏蛋白也具有一定的安全性顾虑。

3.4实现特异性调控

尽管通过上转换光遗传学在神经元或非神经元调节方面取得了初步成功，但是目前在实际应用中光控生理功能的效率还受限于调控的精确性。主要表现在以下几个方面：

(1)光遗传学工具的离子选择性。目前广泛使用的光敏感视紫红质蛋白，尤其是阳离子通道蛋白(例如ChRs)，其激活后对Ca2+、Na+或K+等的细胞内流缺乏选择性，因此难以做到精准控制生理信号。对于如何解决离子选择性问题，有以下两种可能的策略：一是对已有的ChRs进行基因工程改造，得到具有高离子选择性的突变体，但至今还鲜有相关报道；二是结合其他现有的光遗传学技术，构建离子选择性好的光遗传学工具。例如，基于特异性的Ca2+通道激活释放的光遗传学平台(Opto-CRAC)，在体外和体内都体现出优秀的Ca2+信号调节能力[55，84]；另外，近年来报道的热敏离子通道(TRPs)也极具潜力，有望实现高选择性的Ca2+信号调控。

(2)光遗传学调控的细胞/组织特异性。许多在细胞层面上的光遗传学研究表明，上转换纳米转换器尽可能地靠近膜离子通道蛋白，可显著提高光子能量转移的效率，对调控效果产生重要影响。目前已报道了不同的策略，被用于将上转换纳米粒子尽可能特异地连接在光敏蛋白表达的细胞膜上(图9)。其中包括抗原-抗体结合的策略，将UCNPs定位于细胞表面，还可以通过糖代谢标记技术来共价连接。

而在动物层面，目前通过使用靶向的光基因递送技术，如细胞/组织特异性慢病毒感染等可以实现特异性的光遗传学调控[85-87]。但在实际的神经科学领域应用中，需要借助于脑定位注射来实现精确光遗传学基因及上转换纳米体系在目的组织区域表达。由于大脑结构的复杂性，很难保证操作的精准度，这在光遗传学研究中也是一个很大的挑战。

(3)纳米粒子靶向性。除此以外，上转换纳米粒子的靶向能力是远程调控细胞/组织特异性离子通道的另一个限制因素[88-89]。例如，在深层脑区的光遗传学操作中，纳米粒子难以有效通过血脑屏障(BBB)，因而只能通过注射的方法来输送上转换纳米颗粒。这种策略不仅增加了创伤性，还有可能引入一些潜在的不良反应。因此，开发完全无创的、可血液递送的上转换纳米平台，进而能够用于脑部的近红外光遗传学体系将是未来研究的一大方向。

3.5标准化上转换光遗传学设备

最后，除了对上转换纳米转换器和光遗传学工具的改进之外，可靠的光学调控仪器以及信号记录设备在实际的上转换光遗传学应用也亟待开发。迄今为止，用于上转换材料光学表征的大多数仪器都是实验室个人定制。此外，在动物模型中用于近红外激光介导的光遗传刺激、监测的专用仪器也非常有限[90-91]。因此，目前的上转换光遗传学研究的稳定性和重复性还不尽人意，亟待研发商用的、标准化的仪器(例如光谱仪，刺激器，显微成像系统及膜片钳设备等)。总体而言，由于近红外上转换光遗传学是一个多学科、高度交叉的领域，学术界和工业界的任何建设性合作与整合都将有利于该技术的转化应用。