Благодаря своей высокоточной способности регулировать деятельность нейронов фотогенетика стала важным инструментом в современных исследованиях в области нейробиологии. Традиционные фотогенетические эксперименты требуют двух самостоятельных операций: инъекции вирусного вектора с генами фоточувствительных белков и второй операции по имплантации зонда фотостимуляции после 1 - 2 недель экспрессии генов. Эта двойная хирургическая схема не только увеличивает сложность эксперимента, но и усугубляет повреждение тканей и воспалительные реакции.
Недавно команда исследователей из Нью - Йоркского университета в Абу - Даби разработала3D - печатный мультимодальный фотогенетический нейронный зонд (MIO)，Интеграция фотогенетической стимуляции с микропотоковой доставкой лекарств / вирусов в одно устройствоИсследование успешно решает проблемы, связанные с многочисленными операциями в традиционных фотогенетических исследованиях, и предлагает высокоэффективное, настраиваемое и минимально инвазивное решение в области нейробиологии. Под названием3D-печатный оптогенетический нейронный зонд, интегрированный с микрофлуидной трубкой для доставки опсина / лекарства"ОпубликованоВ международных журналахНаучные отчеты"Вверх.
МИОзондОсновные компоненты включают в себя микросветодиоды (мкЛД) для светостимуляции и микроструи диаметром 150 микронИ достижимыТочная доставка вирусных носителей или лекарств. Этот прорыв в дизайне оптимизирует традиционный процесс инъекции вируса и имплантации зонда в двойную операцию, значительно упрощая экспериментальные шаги. Исследователи успешно внедрили имплантацию зонда в гипоталамусовое ядро (STN) мыши, ключевой области мозга, регулируемой движением, синхронизируя инъекции вирусного вектора с фиксацией устройства с помощью одной операции (рисунок 1).
Рисунок 1. (a) Традиционные процессы включают стереонаправленные инъекционные вирусные векторы для экспрессии светочувствительного зрительного белка в целевых нейронах, а затем хирургическую имплантацию оптических зондов для передачи контролируемых световых импульсов для нейронной модуляции. b) интегрированный процесс имплантации фотогенетических устройств для передачи вирусов в сочетании с микропротоками. Он включает в себя стереоориентацию устройства в целевую область мозга, где микропроток передает вирусный носитель для экспрессии светочувствительного зрительного белка в определенном нейроне, а затем одновременно или после этого активирует оптический зонд для передачи контролируемых световых импульсов для точной нейронной модуляции.Что касается характеристик производительности, исследовательская группа изучила MIOзондБыли проведены систематические испытания (рис. 2). Данные электрооптических испытаний показывают (рисунок 3), что устройство стабильно выводит стимул синего света при рабочем напряжении 3,0 В (соответствующий ток около 12 мА), а его пиковая длина волны света (465 нм) соответствует высоте спектра реакции фоточувствительного белка ChR2 с интенсивностью света, превышающей порог активации (1 мВт / мм²).Рисунок 2. (a) Общий системный вид предлагаемой фотоэлектрической аппаратуры, включающей микроканал управления потоком, для доставки видимых белков / лекарств. (b) СистемаГотовьте изображения устройств MIO. Устройство излучает синий свет под действием тока 1 мА. На главной диаграмме показаны освещенные фотоэлектроды; На иллюстрации справа показаны ширина (около 270 мкм) и толщина (около 150 мкм) соответственно.Рисунок 3. (a) Электричество мю - светодиодовПоток - напряжениеКривая (n = 5). (b) интенсивность света, измеренная устройством при различных входных токах (n = 5). (c) БенИзмерение используемого мю - светодиодаОтносительная сила света (синяя кривая) контрастирует со спектром реакции ChR2 (черная кривая).Эксперименты с термической проверкой показали, что в экспериментальных условиях, имитирующих окружающую среду в организме, повышение температуры зонда может быть строго контролировано в пределах порога безопасности 2°C даже с использованием более высокой частоты стимуляции и ширины импульса. Этот результат подтверждает, что зонд обладает отличной способностью к термическому управлению, эффективно избегает теплового повреждения периферической нервной ткани и отвечает требованиям стабильности физических свойств для долгосрочного соматического нейрорегулирования.
Рисунок 4. (a) Испытательное устройство для термической проверки. (b) Измерение температурных изменений при различных скоростях раздражения и ширине импульса при входном токе 5 мА (дельта Т). Пунктирная линия дельта T = 2°C указывает порог безопасности, превышение которого может привести к тепловому повреждению нервной ткани.
В ходе семинедельного поведенческого эксперимента система сравнила экспериментальную группу, имплантированную зондом MIO, с контрольной группой, использующей традиционный волоконно - оптический зонд (требующий двух операций) (рисунок 5). Данные показывают, что фотогенетическая стимуляция значительно увеличивает расстояние и скорость движения обеих групп мышей), доказывая, что оба устройства могут эффективно активировать нейроны STN и регулировать поведение движения. Примечательно, что группа MIO - зондов продемонстрировала более стабильный и последовательный поведенческий ответ на протяжении всего экспериментального цикла, предполагая, что интегрированная стратегия имплантации для одной операции может дать устройству лучшую долгосрочную стабильность и регуляционный эффект.
Рисунок 5. Сопоставление применения волоконно - оптических электродов и зондов MIO для мониторинга активности мышей.Биологическая совместимость и функциональная эффективность зонда MIO были дополнительно подтверждены химическим анализом иммунной ткани с помощью флуоресцентного маркера mCherry. Исследователи наблюдали заметную экспрессию mCherry в области STN, предполагая, что зонд MIO успешно осуществил целевую доставку вирусного вектора и направил белки ChR2 на эффективную экспрессию в целевых нейронах. Этот результат подтверждает на молекулярном уровне осуществимость однократной хирургической интеграции, предоставляя ключевые доказательства применения устройства в долгосрочной нейрорегуляции (рисунок 6).Рисунок 6. репрезентативный горизонтальный срез, выраженный mCherry вблизи траектории имплантации области STN.
Плотность нейронов вокруг области имплантации зонда MIO значительно выше, чем в контрольной группе. Количественный анализ крашения NeuN показал, что группы MIO показали лучшие результаты сохранения нейронов в различных областях на расстоянии 50 - 200 мкм от точки имплантации (рисунок 7).иммуногистологический анализ звездообразного клеточного маркера GFAP показал значительное снижение уровня активации астроцитов вокруг точек имплантации группы MIO (рисунок 8). В то же время количество активированных микроглий, отмеченных ED1, также значительно сократилось, что подтверждает эффективный контроль воспалительных реакций (рис. 9).
Этот набор гистологических доказательств подтверждает уникальное преимущество одной хирургической стратегии: избегая повторяющихся тканевых травм, она значительно уменьшает механические повреждения, вызванные имплантатами, и вторичные воспалительные реакции. Этот защитный эффект проявляется не только в сохранении количества нейронов, но и в уменьшении образования глиальных рубцов, обеспечивая прочную гистологическую основу для долгосрочной функциональной стабильности устройства.Рисунок 7. репрезентативные горизонтальные срезы головного мозга, окрашенные NeuN вблизи траектории имплантации в области STN.Рисунок 8. репрезентативные горизонтальные срезы головного мозга, окрашенные GFAP вблизи траектории имплантации области STN.Рисунок 9. репрезентативные горизонтальные срезы головного мозга, окрашенные ED1 вблизи траектории имплантации в области STN.Для электрического соединения подготовленных фотоэлектродов с разъемом провод должен надежно прикрепляться к предопределенным выводам электрического разъема внутри индивидуального корпуса (рисунок 10). В этом процессе,Все компоненты индивидуального корпуса, задействованные в этом процессе, используют технологию микростереолитографии (P - мкSL) с точной поверхностной проекцией.(микроарка)®С240. 精度： 10 мкм)ПроизводствоА.Рисунок 10. Процесс изготовления и сборки оборудования, разделенный на три этапа: (i) процесс 3D - печати (a - d), (ii) производство и сборка проводящих компонентов и устройств с микроуправлением потоком (e - k) и (iii) процесс упаковки и сборки (l - s).В этом исследовании был успешно разработан многофункциональный фотогенетический зонд на основе технологии 3D - печати, который объединяет оптическую стимуляцию с функцией доставки жидкости, обеспечивает однократную инъекцию вируса и имплантацию оборудования, значительно снижает хирургическую травму и иммунный ответ, а также повышает эффективность и надежность эксперимента.Появление этой технологии не только предоставляет более мощный и удобный инструмент для фундаментальных нейронаучных исследований, но и открывает новые возможности для будущей разработки нейрорегуляторных устройств для клинического лечения.сопровождающий материалДальнейшее развитие технологий материаловедения и микронанопроизводства, такие интегрированные, настраиваемые нейроинтерфейсные устройства, как ожидается, будут играть все более важную роль в будущем лечении неврологических заболеваний и взаимодействии человека и машины.
