神经调控对于脑功能性疾病的治疗价值巨大。神经退行性疾病、运动障碍、癫痫、抑郁以及疼痛等脑功能性疾病累及全球数亿人口，在此背景下，神经调控成为当前医学发展最快的领域之一，其种类和适用范围不断拓展，全球已有数十万脑功能性疾病患者从中获益。

尽管新的技术不断涌现，但是目前仍然缺少一种能够完成高时空精度精确调控并且便于临床使用的神经调控技术。因此，开发一种快速、可控并且操作简单的神经调控技术，无论是对于脑科学领域基础研究，还是对于脑功能性疾病的临床治疗，都具有重要的意义。

近期，一篇以“A minimally invasive, fast on/off “Odorgenetic” Method to Manipulate Physiology”为题的文章首次提出了一种全新的细胞操控技术——气味遗传学（Odorgenetic）。该技术通过在靶细胞上特异性表达果蝇的气味受体OR35a和共受体OR83b二聚体复合物（designed odorant receptor system, DORs），气味分子2-戊酮能够与细胞膜上表达的DORs特异性结合，并升高细胞内钙水平，从而调控钙依赖和电压依赖的细胞生理过程，如神经元放电，肌肉收缩和细胞分泌等。

由于2-戊酮可通过吸入方式进入到血液和脑脊液中，只需3-5min即可与DORs作用来调控神经元或细胞的活动，操作十分简单，这为Odourgenetic的临床转化提供极大的便利。并且2-戊酮还可以伴随呼气迅速排出体外，从而终止反应，这也确保了Odourgenetic在临床使用中的安全性和可控性。

该技术首次提出了“Odourgenetic”的概念，同时该技术也是一项在临床多个领域极具应用前景的细胞操控技术。

图1. Odourgenetic原理图示

电刺激作为最早出现的神经调控技术，它可以直接激活或抑制特定的脑区。在临床上，电刺激已经被用于帕金森病、抑郁、疼痛等疾病的治疗，也是目前临床应用最为普遍神经调控手段。尽管拥有巨大的临床应用潜力，但是电刺激仍然存在几个严重缺点。首先，长时间传导的高电流会造成电极周围组织的热损伤，导致神经元凋亡。其次，电刺激是非特异性的神经调控手段，它会影响电极附近所有类型的神经元。最后，电刺激的使用相对比较复杂，比如：需要专门的设备、部分方法需要埋置电极、刺激参数需要反复调试等。

精确地调控神经元活动一直是神经学家们的梦想，光遗传学的出现则是将这一梦想照进现实。光遗传学能够在毫秒级别时间尺度上控制神经元活动，借助这一技术，科学家对复杂的神经网络连接的理解有了质的飞跃。然而，这种方法需要光直接进入脑组织，但由于蓝光不容易穿透整个组织，必须使用昂贵的专用设备（如定制的带光纤或双光子照明系统的蓝光光源）来递送光。此外，考虑到对侵入性设备植入和足够功率（耗能）的需求，在实际的临床实践中很难将光遗传学应用于疾病治疗。

化学遗传学则是另外一种常用的神经调控技术，具有作用时程长、操作简单等优势，因此被广泛应用于基础研究。但是DREADD真正发挥调控作用的是氯氮平-N-氧化物（CNO）的代谢产物：氯氮平。而氯氮平作为广谱抗精神病药在体内有众多靶标、药理学性质复杂，这使得DREADD的特异性大大降低；另外CNO在体内不可逆的缓慢代谢过程，也限制了其在癫痫等疾病紧急发作控制中的应用潜力。因此，DREADD在临床推广应用也很受限。

此外，其它神经调控技术还包括局部药理学、磁刺激、聚焦超声等，也因技术本身的缺陷，使其推广存在诸多壁垒。因此，开发出操作简单、特异可控的“细胞操控技术”对疾病治疗具有划时代意义。
 

光遗传学具有极高的时-空分辨率，化学遗传学操作简单方便，那么有没有可能开发出一种兼具二者优点的神经调控技术呢？受到临床常用气体麻醉的启发，早在2016年，气味遗传学的研发团队就在思考为什么不开发一种通过气体来操控神经活动的技术？这样只需要基于气体的吸入和呼出就可以精准而又高效地调控神经元的活动，而且临床应用将会极其方便。基于这一思路，研发团队立即开始进行探索。

研究的第一步是需要找到合适的气味分子，作为触发反应的媒介，该气味分子首先需要能够通过呼吸快速地进入血液并穿过血脑屏障，以确保能够高效到达目标脑区；其次，要求该气味分子不能过多参与体内代谢过程，这样才能尽可能的减少脱靶效应；最后，要求该气味分子能够从体内快速排出，这样才能保证临床应用的安全可控。

经过大量的筛选，研发团队最终找到了一种符合上述要求的气味分子——2-戊酮。通过液相色谱-质谱联用分析法（LC-MS）证实：2-戊酮能够通过吸入方式迅速进入小鼠血液和脑脊液，3-5min即可发挥作用，停止吸入，2-戊酮在数分钟内即可以原型方式呼出。提示2-戊酮作为“细胞操控器”，操作应用中只需简单的吸入给药，即可迅速发挥作用；亦可以随时通过呼出的方式，终止操控。这将为后续简便、高效以及安全可控的临床使用奠定基础。

图2. 吸入的2-戊酮可在小鼠血浆和脑脊液中检测出

在筛选到符合要求的气味分子后，接下来就是找到与之匹配的受体，并且要在体内外证实该气味受体能够在神经元等细胞中稳定表达，且能被2-戊酮激活，从而调控神经元活动或者调节细胞的生理功能（如细胞分泌）。

在长达数年研究和验证后，研发团队设计并构建出能够稳定表达在培养的细胞系、神经元或者动物体内的果蝇气味受体OR35a和共受体OR83b构成的二聚体复合物（DORs），二者会在细胞膜上组装成异源四聚体，形成典型的配体门控阳离子通道。利用钙成像和膜片钳等技术，团队证实2-戊酮能够与细胞膜上表达的DORs特异性结合，并升高细胞内钙水平，从而调控钙依赖和电压依赖的细胞生理过程。这也预示着Odourgenetic未来可以在非常广泛的研究以及疾病治疗领域进行应用。

图3. 2-戊酮能够诱导DORs表达细胞钙内流

在功能验证实验中，将DORs选择性表达在靶器官后，通过吸入2-戊酮，研发团队可逆地操控了小鼠行为和多种生理活动。如操控掠食性撕咬行为（CeA区的GABAergic神经元选择性表达DORs）；操控胰岛素释放并降低血糖（胰腺表达DORs）；诱发骨骼肌收缩（骨骼肌表达DORs）。这些结果进一步证实了Odourgenetic的有效性和应用领域的广泛性。

图4.利用Odourgenetic控制小鼠的掠食性撕咬行为

总之，Odourgenetic技术是继光遗传学和化学遗传学之后全新细胞操控技术，该技术兼具光遗传学的可开/关属性和时-空分辨性以及化学遗传学的简单易用等优点。在实际应用中，Odourgenetic犹如一个“遥控系统”，安全简单、特异高效，使我们能够“随心所欲”的在数分钟内可逆地调控多种细胞的生理功能，是一个极具临床应用前景的全新的细胞操控术。

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