Optogenetische Technologien sind mit ihrer hohen Präzisionsregelung der neuronalen Aktivität zu einem wichtigen Werkzeug der modernen neurowissenschaftlichen Forschung geworden. Traditionelle fotogenetische Experimente erfordern zwei unabhängige Operationen: Injektion eines viralen Trägers, der ein lichtempfindliches Protein-Gen trägt, und eine zweite Operation mit einer Lichtstimulationssonde, die 1-2 Wochen nach der Genexpression wartet. Diese Doppelchirurgie erhöht nicht nur die Komplexität des Experiments, sondern verschärft auch Gewebeschäden und entzündliche Reaktionen.
Kürzlich hat ein Forscherteam der New York University in Abu Dhabi eine3D-gedruckte multimodale optogenetische Neurosonde (MIO)，Integration der optischen Stimulation mit mikrofluidisierter Drogen-/Viruslieferfunktion in einem einzigen GerätDiese Studie löste erfolgreich die Herausforderungen der herkömmlichen optischen Genetik, die mehrfache Operationen erfordern, und bietet eine effiziente, anpassbare und minimal invasive Lösung für die Neurowissenschaften. unter dem Titel„3D-gedruckte optogenetische neuronale Sonde mit mikrofluidischem Rohr für die Opsin-/Medikamentabgabe integriert”VeröffentlichenIn internationalen ZeitschriftenWissenschaftliche Berichte»Auf.
MIOSondenZu den Kernbauteilen gehören Mikro-LEDs (μLEDs) für die Lichtstimulation und Mikroströmungsregler mit einem Durchmesser von 150 MikronerreichbarPräzise Lieferung von Virenträgern oder Medikamenten. Dieser Konstruktionsdurchbruch optimiert den herkömmlichen dualen chirurgischen Prozess der Vireninjektion und des Sondenimplantats für eine einzige Operation und vereinfacht die experimentellen Schritte erheblich. Die Forscher implementierten erfolgreich eine Sonde-Implantate im Talamus-Subsenkern (STN) der Maus, einer Schlüsselregion des Gehirns für die Bewegungsregulation, mit einer Synchronisierung der Injektion des Viruslagers und der Fixierung des Geräts durch eine einzige Operation (Abbildung 1).
Abbildung 1. (a) Der herkömmliche Prozess umfasst die stereo-orientierte Injektion von Viruslagern, um das lichtempfindliche Optin in den Zielneuronen auszudrücken, und anschließend die chirurgische Implantation einer optischen Sonde, um einen kontrollierten Lichtimpuls zur Neuronenmodulation zu übertragen. b) Integrationsverfahren für die Implantation von optischen Genetikgeräten, die eine Virusübertragung in Kombination mit Mikrofluidkontrollen durchführen. Es umfasst die stereo-Orientierung des Geräts in eine Zielregion des Gehirns, in der die Mikroflumkontrolle einen viralen Träger überträgt, um das lichtempfindliche Optin in bestimmten Neuronen auszudrücken, und anschließend die gleichzeitige oder nachfolgende Aktivierung der optischen Sonde, um kontrollierte Lichtimpulse für eine präzise Neuronenmodulation zu übertragen.In Bezug auf die Charakterisierung der Leistung hat das Forschungsteam MIOSondenSystematische Tests wurden durchgeführt (Abbildung 2). Die elektrischen und optischen Testdaten zeigen (Abbildung 3), dass das Gerät bei einer Arbeitsspannung von 3,0 V (entsprechender Strom ca. 12 mA) eine stabile Ausgangsblaue Lichtstimulation ausgibt, dessen Leuchtspitzenwellenlänge (465 nm) mit der Höhe des Reaktionsspektrums des ChR2-fotoempfindlichen Proteins übereinstimmt und die Lichtintensität die Aktivierungsschwelle übersteigt (1 mW / mm²).Abbildung 2. (a) Gesamtsystemansicht der vorgeschlagenen Optoelektrodeneinrichtung mit integriertem Mikrofluidkanal zur Optin-/Medikamentvergabe. b) HerstellungBild für MIO-Geräte. Das Gerät emittiert blaues Licht mit 1mA Strom. Hauptdarstellung zeigt die Lichtelektroden der Beleuchtung; Die rechte Abbildung zeigt die Breite (ca. 270 µm) und die Dicke (ca. 150 µm).Abbildung 3. (a) Elektrizität von μLEDStrom-SpannungKurve (n = 5). b) Lichtintensität des Geräts bei unterschiedlichen Eingangsströmen (n = 5). c) DieseTesten von μLED für die ArbeitDie relative Lichtintensität (blaue Kurve) ist im Vergleich zum ChR2-Reaktionsspektrum (schwarze Kurve).Wärmevalidierungsexperimente haben gezeigt, dass der Temperaturanstieg der Sonde unter experimentellen Bedingungen in einer simulierten In-vitro-Umgebung auch bei hohen Stimulationsfrequenzen und Impulsbreiten streng innerhalb einer Sicherheitsschwelle von 2 ° C kontrolliert werden kann. Dieses Ergebnis bestätigt, dass die Sonde eine ausgezeichnete thermische Managementfähigkeit hat, die effektiv thermische Schäden an peripherem Nervengewebe vermeiden und die Stabilitätsanforderungen der langfristigen neuronalen Regulierung der physikalischen Eigenschaften erfüllen kann.
Abbildung 4. a) Wärmeprüfgerät. b) Messung von Temperaturänderungen (ΔT) bei unterschiedlichen Stimulationsgeschwindigkeiten und Impulsbreiten bei Eingangsstrom von 5 mA. Die gestrichelte Linie ΔT = 2 ° C steht für eine Sicherheitsschwelle, die überschritten werden kann, um thermische Schäden am Nervengewebe verursachen.
Durch ein siebenwöchiges Verhaltensexperiment verglich die Studie die experimentelle Gruppe mit einer MIO-Sonde mit der Kontrollgruppe mit einer herkömmlichen Faseroptiksonde, die zwei Operationen erforderte (Abbildung 5). Die Daten zeigten, dass beide optische genetische Stimulationen die bewegliche Entfernung und Geschwindigkeit in beiden Gruppen von Mäusen signifikant erhöhten), was beweist, dass beide Geräte effektiv STN-Neuronen aktivieren und das motorische Verhalten regulieren können. Es ist bemerkenswert, dass die MIO-Sondengruppen über den gesamten Experimentszyklus hinweg eine stabilere und konsistentere Verhaltensreaktion zeigten, was darauf hindeutet, dass eine integrierte Implantatstrategie für eine einzelne Operation eine bessere langfristige Stabilität und regulatorische Wirkung des Geräts bieten könnte.
Abbildung 5. Faserelektroden im Vergleich zu MIO-Sonden bei der Bewegungsaktivitätsüberwachung von Mäusen.Die Biokompatibilität und Funktionalität der MIO-Sonde wurden durch eine immunhistochemische Analyse mit mCherry-Fluoreszenzmarkern weiter bestätigt. Die Forscher beobachteten eine offensichtliche mCherry-Expression in der STN-Region, was darauf hindeutet, dass die MIO-Sonde erfolgreich eine gezielte Lieferung von Viruslagern erreichte und eine effiziente Expression von ChR2-Proteinen in Zielneuronen führte. Dieses Ergebnis bestätigt die Machbarkeit eines einzelnen chirurgischen Integrationsprogramms auf molekularer Ebene und liefert wichtige Beweise für die Anwendung des Geräts in der langfristigen Neurologie (Abbildung 6).Abbildung 6. Repräsentative horizontale Schnitte von mCherry-Ausdruck in der Nähe der STN-Region Implantat-Bahn.
Im Vergleich zur Kontrollgruppe war die Neuronendichte um die Implantationszone der MIO-Sonde deutlich höher. Die quantitative Analyse der NeuN-Färbung zeigte, dass die MIO-Gruppen eine bessere neuronale Konservierung in verschiedenen Regionen mit einer Entfernung von 50-200 μm vom Implantatpunkt zeigten (Abbildung 7).Die Immunhistochemische Analyse des Astrozytenmarkers GFAP zeigte eine signifikante Verringerung des Astrozyten-Aktivierungsniveaus um die MIO-Gruppe-Implantatspunkte herum (Abbildung 8). Gleichzeitig verringerte sich auch die Anzahl der ED1-markierten aktivierten Mikrozellen deutlich, was eine effektive Kontrolle der entzündlichen Reaktion bestätigte (Abbildung 9).
Diese Reihe von histologischen Beweisen bestätigt stark die einzigartigen Vorteile einer einzelnen chirurgischen Strategie: Durch die Vermeidung wiederholter Gewebetraumaten werden durch Implantate verursachte mechanische Schäden und sekundäre entzündliche Reaktionen erheblich verringert. Diese schützende Wirkung spiegelt sich nicht nur in der Erhaltung der Neuronenanzahl wider, sondern auch in der Verringerung der Glia-Narbenbildung, die eine solide histologische Grundlage für die langfristige Funktionsstabilität des Geräts bietet.Abbildung 7. Repräsentative horizontale Gehirnschnitte in der Nähe von NeuN-Färbung von STN-Region-Implantat-Trajekte.Abbildung 8. Repräsentative horizontale Gehirnschnitte in der Nähe von GFAP-Färbung von STN-Region Implantat-Trajekte.Abbildung 9. Repräsentative horizontale Gehirnschnitte in der Nähe von ED1-Färbung der STN-Region Implantat-Trajekte.Um die fertige Optoelektrode mit dem Steckverbinder elektrisch zu verbinden, muss der Leiter zuverlässig an einem vorgegebenen elektrischen Steckverbinder befestigt werden, der innerhalb des benutzerdefinierten Gehäuses ist (Abbildung 10). In diesem Prozess,Alle maßgeschneiderten Gehäusekomponenten werden mit der präzisen PμSL-Technologie verwendet(Mikroarch)®Die S240 精度： von 10 μm)Fertigung durchführen.Der Herstellungs- und Montageprozess von Geräten ist in drei Phasen unterteilt: (i) 3D-Druckprozess (a-d), (ii) Herstellung und Montage von leitfähigen Komponenten und Mikrofluiden (e-k) und (iii) Verpackungs- und Montageprozess (l-s).Zusammenfassung: Diese Studie hat erfolgreich eine multifunktionale optogenetische Sonde entwickelt, die auf der 3D-Drucktechnik basiert, die die Lichtstimulation mit der Flüssigkeitsfunktion integriert, um eine einzige chirurgische Fertigstellung von Virusinjektionen und Geräteimplantaten zu ermöglichen, die chirurgische Trauma und Immunantwort erheblich reduziert und die Effizienz und Zuverlässigkeit der Experimente verbessert.Das Aufkommen dieser Technologie bietet nicht nur ein leistungsstarkeres und bequemeres Werkzeug für die grundlegende neurowissenschaftliche Forschung, sondern eröffnet auch neue Wege für die zukünftige Entwicklung von neuroregulatorischen Geräten für die klinische Therapie.Mit dem MaterialDurch die Weiterentwicklung der Medizinischen Wissenschaft und der Mikronano-Fertigungstechnologien wird erwartet, dass solche integrierten, anpassbaren neuronalen Schnittstellen eine immer wichtigere Rolle in zukünftigen Bereichen wie der Therapie von neuronalen Erkrankungen und der Mensch-Computer-Interaktion spielen.
