Con su capacidad de regulación de alta precisión de la actividad neuronal, la tecnología fotogenética se ha convertido en una herramienta importante en la investigación neurocientífica moderna. Los experimentos tradicionales de fotogenética requieren dos operaciones independientes: inyección de un Vector viral que lleva el gen de la proteína sensible a la luz e implantación de una sonda estimulante de la luz por segunda vez después de 1 - 2 semanas de expresión genética. Este doble esquema quirúrgico no solo aumenta la complejidad experimental, sino que también agrava el daño tisular y la respuesta inflamatoria.
Recientemente, el equipo de investigación de la Universidad de Nueva York en Abu Dhabi ha desarrollado unSonda neuronal fotogenética multimodal impresa en 3D (mio)，Integración de estímulos fotogenéticos con funciones de entrega de fármacos / virus microfluídicos en un solo dispositivo. El estudio ha resuelto con éxito el problema de la necesidad de múltiples cirugías en la investigación fotogenética tradicional y ha proporcionado una solución eficiente, personalizada y mínimamente invasiva para el campo de la neurociencia. Con el títuloSonda neuronal optogenética impresa en 3D integrada con tubo microfluidico para la administración de opsina/fármaco",PublicaciónEn revistas internacionalesInformes científicosLibroArriba.
MIOSondaLos componentes centrales incluyen un LED en miniatura (μled) para estimulación óptica y un control de microflujo de 150 micras de diámetro., se puede lograrEntrega precisa de vectores virales o medicamentos. Este avance de diseño optimiza el proceso quirúrgico tradicional de doble inyección de virus e implantación de sonda en una sola operación, simplificando significativamente los pasos experimentales. Los investigadores implementaron con éxito la implantación de sondas en el núcleo subtalámica del ratón (stn), una región cerebral clave para la regulación del movimiento, completando simultáneamente la inyección del Vector viral con la fijación del equipo a través de una sola cirugía (figura 1).
Figura 1. a) el proceso tradicional incluye la inyección estereoscópica de un Vector viral para expresar una proteína óptica fotosensible en la neurona objetivo, seguida de la implantación quirúrgica de una sonda óptica para transmitir un pulso de luz controlado para la modulación neuronal. (b) proceso integrado de implantación de equipos fotogenéticos para la transmisión de virus en combinación con el control de microflujo. Incluye la colocación estereoscópica del dispositivo en la región cerebral objetivo, en la que el control de microfluídicos transmite el Vector viral para expresar la proteína óptica fotosensible en una Neurona específica, y luego activa la sonda óptica simultáneamente o posteriormente para transmitir pulsos de luz controlados para una modulación neuronal precisa.En cuanto a la caracterización del rendimiento, el equipo de investigación estudió el mioSondaSe realizó una prueba sistemática (figura 2). Los datos de las pruebas eléctricas y ópticas indican (figura 3) que el dispositivo puede producir de forma estable estímulos de luz azul a una tensión de funcionamiento de 3,0v (correspondiente a una corriente de unos 12 ma), cuya longitud de onda máxima luminosa (465 nm) coincide altamente con el espectro de respuesta de la proteína fotosensible chr2, con una intensidad superior al umbral de activación (1 MW / MM cuadrados).
Figura 2. a) vista del sistema general del dispositivo fotovoltaico propuesto, que integra canales microfluídicos, para la entrega de optina / fármacos. B) sistemaPreparación de imágenes de dispositivos mio. El dispositivo emite luz azul impulsada por una corriente de 1 Ma. La imagen principal muestra el fotopolo de iluminación; La ilustración derecha muestra el ancho (unos 270 micras) y el espesor (unos 150 micras), respectivamente.Figura 3. a) electricidad de muledCorriente - tensiónCurva (n = 5). (b) la intensidad de la luz medida por el dispositivo a diferentes corrientes de entrada (n = 5). C) BenMedición de muled utilizado en el trabajoLa intensidad relativa de la luz (curva azul) se compara con el espectro de respuesta chr2 (curva negra).Los experimentos de verificación térmica han demostrado que el aumento de la temperatura de la sonda se puede controlar estrictamente dentro del umbral de Seguridad de 2 ° c, incluso con una alta frecuencia de estimulación y ancho de pulso en condiciones experimentales que simulan el entorno interno. Este resultado confirma que la sonda tiene una excelente capacidad de manejo térmico, que puede evitar eficazmente daños térmicos en el Tejido nervioso circundante y cumplir con los requisitos de estabilidad de las propiedades físicas por la regulación neurológica in vivo a largo plazo.
Figura 4 (a) dispositivo de prueba de verificación térmica. (b) cambios de temperatura medidos (△ t) a diferentes velocidades de estimulación y anchos de pulso cuando la corriente de entrada es de 5 Ma. La línea punteada△ t = 2 ° C indica un umbral de seguridad, que puede causar daño térmico al tejido nervioso.
A través de un experimento conductual de siete semanas, el estudio comparó sistemáticamente el grupo experimental con la sonda mio implantada con el grupo control con la sonda de fibra óptica tradicional (que requiere dos operaciones) (figura 5). Los datos muestran que la estimulación fotogenética puede aumentar significativamente la distancia y la velocidad de movimiento de los dos grupos de ratones, lo que demuestra que ambos dispositivos pueden activar eficazmente las neuronas STN y regular el comportamiento motor. Cabe señalar que el Grupo de sonda mio mostró una respuesta conductual más estable y consistente durante todo el ciclo experimental, lo que sugiere que la estrategia de implantación integrada de una sola cirugía puede dar al equipo una mejor estabilidad y regulación a largo plazo.
Figura 5. comparación de la aplicación de electrodos de fibra óptica y sondas mio en el monitoreo de la actividad motora en ratones.A través del análisis inmunohistoquímico marcado por fluorescencia mccherry, se verificó aún más la biocompatibilidad y la eficacia funcional de la sonda mio. Los investigadores observaron una clara expresión de mccherry en la región stn, lo que indica que la sonda mio logró la entrega dirigida del Vector viral y guió la expresión eficiente de la proteína chr2 en las neuronas objetivo. Este resultado confirma a nivel molecular la viabilidad de un esquema integrado de una sola cirugía, proporcionando evidencia clave para la aplicación del equipo en la neuroregulación a largo plazo (figura 6).Figura 6. rebanadas horizontales representativas de la expresión mccherry cerca de la trayectoria de implantación en el área stn.
En comparación con el Grupo control, la densidad de neuronas alrededor del área de implantación de la sonda mio fue significativamente mayor. El análisis cuantitativo de la tinción neun mostró que el Grupo mio mostró un mejor efecto de conservación neuronal en todas las regiones a 50 - 200 micras del punto de implantación (figura 7).El análisis inmunohistoquímico del marcador de astrocitos gfap mostró una disminución significativa de los niveles de activación de astrocitos alrededor del punto de implantación en el Grupo mio (figura 8). Al mismo tiempo, el número de microglias activadas marcadas por ed1 también disminuyó significativamente, lo que confirmó un control efectivo de la respuesta inflamatoria (figura 9).
Esta serie de pruebas histológicas corrobora la ventaja única de la estrategia quirúrgica única: al evitar traumas tisulares repetitivos, se reduce significativamente el daño mecánico causado por implantes y la respuesta inflamatoria secundaria. Este efecto protector no solo se refleja en la conservación del número de neuronas, sino también en la disminución de la formación de cicatrices gliales, proporcionando una base histológica sólida para la estabilidad funcional a largo plazo del equipo.Figura 7. rebanadas cerebrales horizontales representativas teñidas de neun cerca de la trayectoria de implantación en el área stn.Figura 8. secciones cerebrales horizontales representativas teñidas de gfap cerca de la trayectoria de implantación en el área stn.Figura 9. rebanadas cerebrales horizontales representativas teñidas con ed1 cerca de la trayectoria de implantación en el área stn.Para lograr la interconexión eléctrica entre el fotoelectrodo preparado y el conector, es necesario fijar el cable de manera confiable a los pines del Conector eléctrico preestablecidos en el interior de la carcasa personalizada (figura 10). En el proceso,Todos los componentes de carcasa personalizados involucrados utilizan la tecnología de litografía micro - estereoscópica de proyección facial de precisión mofang (p μsl).(El microarco®El S240. 精度： de 10 μm)Fabricación.Figura 10. el proceso de fabricación y montaje del equipo se divide en tres etapas: (i) el proceso de Impresión 3D (a - d), (ii) la fabricación y montaje de componentes conductores y dispositivos microfluídicos (e - k), y (iii) el proceso de encapsulamiento y montaje final (l - s).Resumen: el estudio ha desarrollado con éxito una sonda fotogenética multifuncional basada en la tecnología de impresión 3d, que integra la estimulación lumínica con la función de entrega de líquidos, logrando una sola cirugía para completar la inyección del virus y la implantación del equipo, reduciendo significativamente el trauma quirúrgico y la respuesta inmune, y mejorando la eficiencia y fiabilidad del experimento.La aparición de esta tecnología no solo proporciona una herramienta más poderosa y conveniente para la investigación en Neurociencia básica, sino que también abre nuevos caminos para el desarrollo futuro de dispositivos neuroreguladores para el tratamiento clínico.Con el materialCon el desarrollo de la ciencia de los materiales y la tecnología de fabricación de micro y nano, se espera que este tipo de equipos de interfaz neuronal integrados y personalizables desempeñen un papel cada vez más importante en el futuro tratamiento de enfermedades neurológicas e interacción hombre - computadora.
