基于上转换纳米粒子的低损伤神经界面技术
发布时间：2021-09-18 12:44
光遗传技术能够实现对特定类型神经元的高时间分辨调控。过去几年,光遗传技术在神经环路的结构与功能研究中得到了广泛应用,并且在神经疾病治疗领域具有良好的应用前景。目前光遗传常用光敏蛋白的激发波长位于可见光波段。可见光的组织穿透性差,很难通过组织外照射来调控动物大脑深部的神经元电活动,因此极大地限制了光遗传技术的应用。上转换纳米粒子可以将组织穿透性好的近红外光转换成可见光激活光敏蛋白,从而可以实现可见光的远程、低损伤递送。近几年来,基于上转换纳米粒子的光遗传技术得到了迅速发展。本文将总结基于上转换纳米粒子的光遗传技术的研究现状及技术瓶颈,并且结合柔性神经电极技术的发展,对构建可以同时调控与检测活体大脑电活动的低损伤、双向神经界面进行了展望。
【文章来源】：物理化学学报. 2020,36(12)北大核心SCICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
各种增强上转换效率方法的荧光强度和发射谱对比
2016年Bansal等62首次将UCNPs用于活体光遗传实验。该工作首先对转染了Ch R2的线虫做饥饿处理，随后将饥饿的线虫暴露到他们合成的UCNPs (Si外壳，发射蓝色荧光)溶液中使线虫摄取UCNPs，最后通过施加准连续NIR (980 nm)光照射线虫，成功调控了线虫的运动方向(图3)，并且没有发现明显的组织过热和纳米粒子毒性的副作用。除此之外，2017年Ai等63在幼年斑马鱼模型中，也通过用NIR (808 nm)照射UCNPs发射蓝色荧光，成功激活Ch R2光敏蛋白。值得注意的是，线虫和幼年斑马鱼的身体透明度相对较高，对光的透过性好，因此对于UCNPs在组织穿透性较差的啮齿类动物中的光遗传应用还有待进一步探索。图3 UCNPs介导的NIR光遗传调控线虫运动行为62
图2 用包裹UCNPs的聚合物薄膜实现光遗传激活神经元的示意图612017年Lin等64首次将UCNPs应用到啮齿动物光遗传实验(图4a,b,c)。他们通过掺杂Tm3+离子或Er3+离子，得到了发射荧光波长与Ch R2和C1V1光敏蛋白相匹配的核壳结构UCNPs。他们将分散有此UCNPs的溶液加入微玻璃管，待溶剂挥发后剪断微玻璃管并密封好，随后将钨丝电极与此光学器件绑到一起，最后将此器件植入大鼠脑组织，通过颅外施加980 nm的NIR，在功率为7m W·mm-2和4.4 m W·mm-2时，分别成功激活了发射波长为470 nm和540 nm的UCNPs，并相应激活了V1M脑区(1 mm深)的Ch R2和C1V1光敏蛋白，记录到了相应的动作电位，实现了同时对神经活动的调控和神经信号的检测。但是值得注意的是，此实验是在老鼠麻醉状态下进行的；所选脑区距离脑表仅1 mm，经过选用合适的光敏蛋白，通过颅外照射可见光即能对该深度的神经元进行调控；且微玻璃管包裹虽然能够使UCNPs与细胞隔离，降低对细胞的毒性，但玻璃管和所用钨丝电极都是刚性的，会对组织造成一定程度的损伤以及炎症反应，因此生物相容性有待进一步提高。同年，Wang等65利用相同方法制备了负载有UCNPs的光学器件，通过埋植该器件实现了颅外施加NIR (980nm,5 m W·mm-2)调控自由活动老鼠VTA脑区(4.5mm深)、皮层纹状体脑区(3 mm深)和视觉皮层脑区(1 mm深)的神经活动。其实验结果证实负载UCNPs的光学器件植入组织后没有引发严重的免疫反应，并且NIR照射时皮肤的温度没有显著升高。这说明该方法可以用于自由活动老鼠深脑光遗传实验。通常来说，相比于激活兴奋性光敏蛋白，激活抑制性光敏蛋白需要更高能量的荧光照射，这就要求UCNPs具有更高的转换效率66。2018年，Lin等67通过核壳壳结构进一步增强了UCNPs的转换效率，与之前所用核壳结构UCNPs相比，转换效率提升了～3倍。利用相同方法，他们实现了将UCNPs用于神经活动抑制的实验，并同时成功地检测到了神经元的动作电位(图4d,e,f,g)。他们通过体外NIR (980 nm,6 m W·mm-2)照射自由活动老鼠，成功激活了大鼠STN脑区(7.8 mm深)和小鼠次级运动皮层(0.5 mm深)中神经元细胞膜表面的抑制性光敏蛋白-e Np HR3.0，记录到了大鼠相应脑区中的电生理信号，并且实现了调控自由移动小鼠的运动功能。
本文编号：3400162
【文章来源】：物理化学学报. 2020,36(12)北大核心SCICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
各种增强上转换效率方法的荧光强度和发射谱对比
2016年Bansal等62首次将UCNPs用于活体光遗传实验。该工作首先对转染了Ch R2的线虫做饥饿处理，随后将饥饿的线虫暴露到他们合成的UCNPs (Si外壳，发射蓝色荧光)溶液中使线虫摄取UCNPs，最后通过施加准连续NIR (980 nm)光照射线虫，成功调控了线虫的运动方向(图3)，并且没有发现明显的组织过热和纳米粒子毒性的副作用。除此之外，2017年Ai等63在幼年斑马鱼模型中，也通过用NIR (808 nm)照射UCNPs发射蓝色荧光，成功激活Ch R2光敏蛋白。值得注意的是，线虫和幼年斑马鱼的身体透明度相对较高，对光的透过性好，因此对于UCNPs在组织穿透性较差的啮齿类动物中的光遗传应用还有待进一步探索。图3 UCNPs介导的NIR光遗传调控线虫运动行为62
图2 用包裹UCNPs的聚合物薄膜实现光遗传激活神经元的示意图612017年Lin等64首次将UCNPs应用到啮齿动物光遗传实验(图4a,b,c)。他们通过掺杂Tm3+离子或Er3+离子，得到了发射荧光波长与Ch R2和C1V1光敏蛋白相匹配的核壳结构UCNPs。他们将分散有此UCNPs的溶液加入微玻璃管，待溶剂挥发后剪断微玻璃管并密封好，随后将钨丝电极与此光学器件绑到一起，最后将此器件植入大鼠脑组织，通过颅外施加980 nm的NIR，在功率为7m W·mm-2和4.4 m W·mm-2时，分别成功激活了发射波长为470 nm和540 nm的UCNPs，并相应激活了V1M脑区(1 mm深)的Ch R2和C1V1光敏蛋白，记录到了相应的动作电位，实现了同时对神经活动的调控和神经信号的检测。但是值得注意的是，此实验是在老鼠麻醉状态下进行的；所选脑区距离脑表仅1 mm，经过选用合适的光敏蛋白，通过颅外照射可见光即能对该深度的神经元进行调控；且微玻璃管包裹虽然能够使UCNPs与细胞隔离，降低对细胞的毒性，但玻璃管和所用钨丝电极都是刚性的，会对组织造成一定程度的损伤以及炎症反应，因此生物相容性有待进一步提高。同年，Wang等65利用相同方法制备了负载有UCNPs的光学器件，通过埋植该器件实现了颅外施加NIR (980nm,5 m W·mm-2)调控自由活动老鼠VTA脑区(4.5mm深)、皮层纹状体脑区(3 mm深)和视觉皮层脑区(1 mm深)的神经活动。其实验结果证实负载UCNPs的光学器件植入组织后没有引发严重的免疫反应，并且NIR照射时皮肤的温度没有显著升高。这说明该方法可以用于自由活动老鼠深脑光遗传实验。通常来说，相比于激活兴奋性光敏蛋白，激活抑制性光敏蛋白需要更高能量的荧光照射，这就要求UCNPs具有更高的转换效率66。2018年，Lin等67通过核壳壳结构进一步增强了UCNPs的转换效率，与之前所用核壳结构UCNPs相比，转换效率提升了～3倍。利用相同方法，他们实现了将UCNPs用于神经活动抑制的实验，并同时成功地检测到了神经元的动作电位(图4d,e,f,g)。他们通过体外NIR (980 nm,6 m W·mm-2)照射自由活动老鼠，成功激活了大鼠STN脑区(7.8 mm深)和小鼠次级运动皮层(0.5 mm深)中神经元细胞膜表面的抑制性光敏蛋白-e Np HR3.0，记录到了大鼠相应脑区中的电生理信号，并且实现了调控自由移动小鼠的运动功能。
本文编号：3400162
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