Công nghệ quang di truyền đã trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu khoa học thần kinh hiện đại nhờ khả năng điều chỉnh hoạt động tế bào thần kinh với độ chính xác cao. Các thí nghiệm quang di truyền truyền thống đòi hỏi hai ca phẫu thuật độc lập: tiêm một vector virus mang gen protein nhạy cảm với ánh sáng và đợi 1-2 tuần biểu hiện gen trước khi phẫu thuật thứ hai cấy đầu dò kích thích ánh sáng. Phác đồ phẫu thuật kép này không chỉ làm tăng độ phức tạp của thí nghiệm mà còn làm trầm trọng thêm tổn thương mô và phản ứng viêm.
Gần đây, nhóm nghiên cứu tại Đại học New York Abu Dhabi đã phát triển mộtĐầu dò thần kinh quang di truyền đa chế độ (MIO) được in 3D，Tích hợp kích thích quang di truyền với chức năng phân phối thuốc/virus vi lưu trong một thiết bị duy nhất. Nghiên cứu đã giải quyết thành công vấn đề nan giải đòi hỏi nhiều ca phẫu thuật trong nghiên cứu quang di truyền truyền thống, cung cấp một giải pháp hiệu quả, tùy biến và xâm lấn tối thiểu cho lĩnh vực khoa học thần kinh. Với tiêu đề"Đầu dò thần kinh optogenetic in 3D tích hợp với ống vi chất cho opsin / phân phối thuốc”công bốTrên tạp chí quốc tếBáo cáo khoa học》Lên đi.
MIOĐầu dòCác thành phần cốt lõi bao gồm microLED (μLED) để kích thích ánh sáng và microfluiding ống có đường kính 150 micronCó thể thực hiện được.Phân phối chính xác các vectơ virus hoặc thuốc. Bước đột phá thiết kế này tối ưu hóa quy trình phẫu thuật kép truyền thống để tiêm virus và cấy ghép đầu dò thành một hoạt động duy nhất, đơn giản hóa đáng kể các bước thử nghiệm. Các nhà nghiên cứu đã thực hiện thành công cấy ghép đầu dò ở nhân dưới đồi (STN) - vùng não quan trọng để điều chỉnh chuyển động - ở chuột, hoàn thành tiêm vectơ virus và cố định thiết bị đồng bộ bằng một ca phẫu thuật duy nhất (Hình 1).
Hình 1. (a) Các quy trình truyền thống bao gồm tiêm stereodirectional vectơ virus để thể hiện thị giác nhạy cảm ánh sáng trong tế bào thần kinh mục tiêu, sau đó cấy ghép đầu dò quang học bằng phẫu thuật để truyền xung ánh sáng được kiểm soát để điều chế tế bào thần kinh. (b) Tích hợp quy trình cấy ghép thiết bị quang di truyền kết hợp với microstream control để truyền virus. Nó liên quan đến việc đặt thiết bị stereodirection vào vùng não mục tiêu, trong đó microflow controller truyền một vectơ virus để thể hiện thị giác nhạy cảm với ánh sáng trong một tế bào thần kinh cụ thể và sau đó kích hoạt đồng thời hoặc tiếp theo các đầu dò quang học để truyền các xung ánh sáng được kiểm soát để điều chế tế bào thần kinh chính xác.Về đặc tính hiệu suất, nhóm nghiên cứu đã nói về MIOĐầu dòCác kiểm tra hệ thống đã được thực hiện (Hình 2). Dữ liệu thử nghiệm điện và quang học cho thấy (Hình 3) rằng thiết bị này cung cấp ổn định đầu ra kích thích ánh sáng xanh ở điện áp hoạt động 3.0V (tương ứng với dòng điện khoảng 12mA) và bước sóng đỉnh phát sáng của nó (465nm) phù hợp cao với phổ phản ứng của protein quang học ChR2, với cường độ ánh sáng vượt quá ngưỡng kích hoạt (1mW/mm²).Hình 2. (a) Chế độ xem hệ thống tổng thể của thiết bị quang điện cực được đề xuất tích hợp các kênh điều khiển vi lưu để phân phối retin/thuốc. b) Hệ thốngChuẩn bị hình ảnh của thiết bị Mio. Thiết bị phát ra ánh sáng xanh với ổ đĩa hiện tại 1mA. Sơ đồ chính cho thấy quang điện cực của ánh sáng; Hình minh họa bên phải cho thấy chiều rộng (khoảng 270 µm) và độ dày (khoảng 150 µm).B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)Hiện tại - Điện ápĐường cong (n=5) (b) Cường độ ánh sáng (n=5) được đo bởi thiết bị ở các dòng đầu vào khác nhau. c) BenThử nghiệm thực tế của đèn LED μ được sử dụng trong công việcCường độ ánh sáng tương đối (đường cong màu xanh) tương phản với phổ phản ứng ChR2 (đường cong màu đen).Các thí nghiệm xác minh nhiệt cho thấy nhiệt độ tăng của đầu dò có thể được kiểm soát chặt chẽ trong ngưỡng an toàn 2 ° C ngay cả khi tần số kích thích và độ rộng xung cao hơn được áp dụng trong các điều kiện thí nghiệm mô phỏng môi trường bên trong cơ thể. Kết quả này xác nhận rằng đầu dò có khả năng quản lý nhiệt tuyệt vời, có hiệu quả tránh gây tổn thương nhiệt cho các mô thần kinh ngoại biên và đáp ứng các yêu cầu ổn định lâu dài về tính chất vật lý trong điều hòa thần kinh cơ thể.
Hình 4. (a) Thiết bị kiểm tra xác minh nhiệt. (b) Đo sự thay đổi nhiệt độ (ΔT) ở tốc độ kích thích khác nhau và độ rộng xung ở mức 5 mAh dòng đầu vào. Đường chấm ΔT=2 ℃ chỉ ra ngưỡng an toàn, vượt quá ngưỡng này có thể gây tổn thương nhiệt cho mô thần kinh.
Thông qua một thí nghiệm hành vi kéo dài bảy tuần, nghiên cứu đã so sánh một cách có hệ thống nhóm thí nghiệm được cấy đầu dò MIO với nhóm đối chứng sử dụng đầu dò sợi quang truyền thống (yêu cầu hai ca phẫu thuật) (Hình 5). Dữ liệu cho thấy kích thích quang di truyền có thể làm tăng đáng kể khoảng cách và tốc độ chuyển động ở cả hai nhóm chuột, chứng minh rằng cả hai thiết bị đều có thể kích hoạt hiệu quả các tế bào thần kinh STN và điều chỉnh hành vi vận động. Đáng chú ý, nhóm thăm dò MIO cho thấy phản ứng hành vi ổn định và nhất quán hơn trong suốt chu kỳ thử nghiệm, gợi ý rằng chiến lược cấy ghép tích hợp cho một ca phẫu thuật duy nhất có thể mang lại cho thiết bị sự ổn định và điều chỉnh lâu dài tốt hơn.
Hình 5. Ứng dụng của điện cực sợi quang so với đầu dò MIO để theo dõi hoạt động vận động của chuột.Khả năng tương thích sinh học và hiệu quả chức năng của đầu dò MIO đã được xác nhận thêm thông qua phân tích hóa học mô miễn dịch của dấu huỳnh quang mCherry. Các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy sự biểu hiện mCherry rõ rệt trong khu vực STN, cho thấy đầu dò MIO đã đạt được thành công việc phân phối mục tiêu của vectơ virus và hướng dẫn sự biểu hiện hiệu quả của protein ChR2 trong tế bào thần kinh mục tiêu. Kết quả này xác nhận tính khả thi của sơ đồ tích hợp phẫu thuật đơn lẻ ở cấp độ phân tử, cung cấp bằng chứng quan trọng cho việc sử dụng thiết bị trong điều hòa thần kinh lâu dài (Hình 6).Hình 6. Cắt ngang đại diện của biểu hiện mCherry gần quỹ đạo cấy ghép khu vực STN.
Mật độ tế bào thần kinh xung quanh khu vực cấy ghép đầu dò MIO cao hơn đáng kể so với nhóm đối chứng. Phân tích định lượng nhuộm NeuN cho thấy nhóm MIO cho thấy hiệu quả bảo tồn tế bào thần kinh tốt hơn ở các khu vực khác nhau cách điểm cấy ghép 50-200 μm (Hình 7).Phân tích miễn dịch của GFAP, một dấu hiệu tế bào thần kinh đệm hình sao, cho thấy mức độ kích hoạt tế bào thần kinh đệm hình sao giảm đáng kể xung quanh điểm cấy ghép của nhóm MIO (Hình 8). Đồng thời, số lượng microglia hoạt hóa được đánh dấu bằng ED1 cũng giảm đáng kể, xác nhận việc kiểm soát hiệu quả phản ứng viêm (Hình 9).
Loạt bằng chứng mô học này khẳng định mạnh mẽ lợi thế độc đáo của một chiến lược phẫu thuật duy nhất: giảm đáng kể tổn thương cơ học và phản ứng viêm thứ phát do cấy ghép bằng cách tránh chấn thương mô lặp đi lặp lại. Tác dụng bảo vệ này không chỉ được phản ánh trong việc bảo tồn số lượng tế bào thần kinh mà còn giảm sẹo đệm, cung cấp một nền tảng mô học vững chắc cho sự ổn định chức năng lâu dài của thiết bị.Hình 7. Một lát não ngang đại diện của nhuộm NeuN gần quỹ đạo cấy ghép của khu vực STN.Hình 8. Một lát não ngang đại diện của nhuộm GFAP gần quỹ đạo cấy ghép của khu vực STN.Hình 9. Một lát não ngang đại diện cho màu ED1 gần quỹ đạo cấy ghép của khu vực STN.Để đạt được kết nối điện giữa các điện cực quang và đầu nối đã chuẩn bị xong, cần phải cố định dây một cách đáng tin cậy vào chân kết nối điện được đặt sẵn bên trong vỏ tùy chỉnh (Hình 10). Trong quá trình này,Tất cả các thành phần nhà ở tùy chỉnh liên quan, sử dụng công nghệ in li-tô lập thể vi mô chiếu chính xác bề mặt (PμSL) của MorfoneMicroarch®S240 là 精度： 10 μm)Thực hiện sản xuất。Hình 10. Quy trình sản xuất và lắp ráp thiết bị được chia thành ba giai đoạn: (i) quy trình in 3D (a-d), (ii) sản xuất và lắp ráp (e-k) các thành phần dẫn điện và các thiết bị điều khiển vi lưu, và (iii) quy trình đóng gói và lắp ráp cuối cùng (l-s).Kết luận: Nghiên cứu này đã phát triển thành công một đầu dò quang di truyền đa chức năng dựa trên công nghệ in 3D tích hợp kích thích ánh sáng với chức năng phân phối chất lỏng, cho phép tiêm virus và cấy thiết bị hoàn thành trong một ca phẫu thuật duy nhất, làm giảm đáng kể chấn thương phẫu thuật và đáp ứng miễn dịch, đồng thời tăng hiệu quả và độ tin cậy của thí nghiệm.Sự ra đời của công nghệ này không chỉ cung cấp một công cụ mạnh mẽ và thuận tiện hơn cho nghiên cứu khoa học thần kinh cơ bản mà còn mở ra một con đường mới cho sự phát triển trong tương lai của các thiết bị điều hòa thần kinh để điều trị lâm sàng, v.v.Với tài liệuSự phát triển hơn nữa của khoa học vật liệu và công nghệ sản xuất vi nạp, loại thiết bị giao diện thần kinh tích hợp, có thể tùy chỉnh này có thể phát huy vai trò ngày càng quan trọng trong các lĩnh vực điều trị bệnh thần kinh và tương tác giữa người và máy trong tương lai.
