La technologie Optogénétique est devenue un outil essentiel pour la recherche en neurosciences modernes grâce à sa capacité de régulation de haute précision de l'activité neuronale. Les expériences optogénétiques traditionnelles nécessitent deux interventions chirurgicales indépendantes: l'injection d'un vecteur viral porteur d'un gène de protéine photosensible, suivie d'une deuxième implantation chirurgicale d'une sonde photostimulante après 1 à 2 semaines d'expression du gène. Ce schéma chirurgical double augmente non seulement la complexité expérimentale, mais aggrave également les lésions tissulaires et les réactions inflammatoires.
Récemment, une équipe de recherche de l'Université de New York à Abu Dhabi a développé uneSonde neuronale photogénétique multimodale (mio) imprimée en 3D，Intégration de la stimulation Optogénétique avec des fonctions microfluidiques de délivrance de médicaments / virus dans un seul appareil. L'étude a résolu avec succès le dilemme de la recherche Optogénétique traditionnelle qui nécessite plusieurs interventions chirurgicales, offrant une solution efficace, personnalisable et peu invasive pour le domaine des neurosciences. Avec le titreSonde neuronale optogénétique imprimée en 3D intégrée à un tube microfluidique pour la livraison d'opsine/médicament« etPubliéDans les revues internationalesRapports scientifiquesLe)En haut.
MIOLa sondeLes composants de base comprennent des microleds (μled) pour la stimulation lumineuse et des Microflow controls de 150 microns de diamètre., réalisableLivraison précise de vecteurs viraux ou de médicaments. Cette percée de conception optimise le processus chirurgical traditionnel à double injection virale avec implantation de sonde en une seule opération, simplifiant considérablement les étapes expérimentales. Les chercheurs ont mis en œuvre avec succès des implants de sonde dans le noyau hypothalamique de souris (STN) – une région clé du cerveau pour la régulation du Mouvement – en synchronisant l’injection du vecteur viral avec l’appareil en une seule intervention chirurgicale (Figure 1).
Figure 1. (A) Le procédé classique consiste en une injection stéréotaxique d'un vecteur viral pour exprimer l'opsine photosensible dans les neurones cibles, suivie d'une modulation neuronale par implantation chirurgicale d'une sonde optique pour délivrer une impulsion lumineuse contrôlée. B) un processus intégré d'implantation de dispositifs optogénétiques pour la transmission virale en combinaison avec un Microtube. Il consiste à placer le dispositif stéréotaxiquement dans une région du cerveau cible dans laquelle le Microfluidic délivre un vecteur viral pour exprimer l'opsine photosensible dans un neurone particulier, suivi de l'activation simultanée ou ultérieure de la sonde optique pour délivrer des impulsions lumineuses contrôlées pour une modulation neuronale précise.En termes de caractérisation des performances, l'équipe de recherche a travaillé sur mioLa sondeDes tests systématiques ont été réalisés (Figure 2). Les données des tests électriques et optiques ont montré (Figure 3) que l'appareil peut produire de manière stable un stimulus de lumière bleue à une tension de fonctionnement de 3,0 V (correspondant à un courant d'environ 12 ma), dont la longueur d'onde de crête lumineuse (465 nm) correspond fortement au spectre de réponse de La protéine photosensible chr2 et dont l'intensité lumineuse dépasse le seuil d'activation (1 MW / mm²).
Figure 2. (A) vue d'ensemble du système du dispositif photoélectrode proposé intégrant un canal microfluidique pour la délivrance d'opsine / médicament. B) SystèmePréparez une image de l'appareil mio. L'appareil émet de la lumière bleue lorsqu'il est alimenté par un courant de 1 ma. La figure principale montre la photoélectrode éclairée; Les illustrations de droite montrent respectivement la largeur (environ 270 µm) et l'épaisseur (environ 150 µm).Figure 3. A) Électricité des μledCourant - tensionCourbe (n = 5). B) intensité lumineuse mesurée par le dispositif à différents courants d'entrée (n = 5). C) Le présentMesure des μled utilisées pour le travailL'intensité lumineuse relative (courbe bleue) est comparée au spectre de réponse chr2 (courbe noire).Des expériences de validation thermique ont montré que, dans des conditions expérimentales simulant l'environnement in vivo, l'augmentation de température de la sonde peut être strictement contrôlée à l'intérieur d'un seuil de sécurité de 2°C, même avec des fréquences de stimulation et des largeurs d'impulsion plus élevées. Ce résultat confirme l'excellente capacité de gestion thermique de la sonde pour éviter efficacement les dommages thermiques au tissu nerveux périphérique et répondre aux exigences de stabilité de la régulation nerveuse somatique à long terme pour les propriétés physiques.
Figure 4. A) dispositif d'essai de vérification thermique. B) variation de la température mesurée (Δt) à différentes vitesses de stimulation et largeurs d'impulsion à un courant d'entrée de 5 milliampères. La ligne pointillée Δt = 2 °C représente le seuil de sécurité au - delà duquel des dommages thermiques peuvent être causés au tissu nerveux.
L'étude a comparé systématiquement un groupe expérimental avec une sonde mio implantée à un groupe témoin avec une sonde à fibre optique conventionnelle (nécessitant deux interventions chirurgicales) au moyen d'une expérience comportementale de sept semaines (Figure 5). Les données ont montré que la stimulation photogénétique augmentait significativement la distance et la vitesse de mouvement des deux groupes de souris), démontrant que les deux dispositifs activaient efficacement les neurones STN et régulaient le comportement moteur. Il est important de noter que le Groupe de sondes mio a montré une réponse comportementale plus stable et cohérente tout au long du cycle expérimental, suggérant qu'une stratégie d'implantation intégrée pour une seule intervention chirurgicale pourrait conférer au dispositif une stabilité et un effet régulateur à long terme plus optimaux.
Figure 5. Comparaison de l'électrode à fibre optique avec l'application de la sonde mio dans la surveillance de l'activité motrice chez la souris.La biocompatibilité et l'efficacité fonctionnelle de la sonde mio ont été davantage vérifiées par l'analyse immunohistochimique du Marqueur fluorescent mcherry. Les chercheurs ont observé une expression évidente de mcherry dans la région STN, ce qui suggère que la sonde mio a réussi à atteindre une livraison ciblée du vecteur viral et à guider l'expression très efficace de la protéine chr2 dans les neurones cibles. Ce résultat confirme, au niveau moléculaire, la faisabilité d'un protocole d'intégration chirurgicale unique, fournissant des preuves clés de l'application du dispositif à la régulation neurologique à long terme (Figure 6).Figure 6. Coupes horizontales représentatives de l'expression de mcherry près de la trajectoire d'implantation dans la région STN.
La densité de neurones autour de la zone d'implantation de la sonde mio était significativement plus élevée que dans le groupe témoin. L'analyse quantitative par coloration neun a montré que le Groupe mio présentait tous un meilleur effet de conservation neuronale dans diverses zones situées entre 50 et 200 µm du point d'implantation (Figure 7).L'analyse immunohistochimique du marqueur astrocyte GFAP a montré une diminution significative du niveau d'activation des astrocytes autour du site d'implantation dans le Groupe mio (Figure 8). Dans le même temps, le nombre de microglies activées marquées ed1 a également été significativement réduit, confirmant un contrôle efficace de la réponse inflammatoire (Figure 9).
Cet ensemble de preuves histologiques a la force de confirmer les avantages uniques d'une stratégie chirurgicale unique: les dommages mécaniques causés par les implants et les réactions inflammatoires secondaires sont considérablement atténués en évitant les traumatismes tissulaires répétés. Cet effet protecteur se reflète non seulement dans la préservation du nombre de neurones, mais aussi dans la réduction de la cicatrisation gliale, fournissant une base histologique solide pour la stabilité fonctionnelle à long terme du dispositif.Figure 7. Coupes cérébrales horizontales représentatives de la coloration neun près de la trajectoire d'implantation de la région STN.Figure 8. Coupes cérébrales horizontales représentatives de la coloration GFAP près de la trajectoire d'implantation dans la région STN.Figure 9. Coupes cérébrales horizontales représentatives de la coloration ed1 près de la trajectoire d'implantation dans la région STN.Pour interconnecter électriquement la photoélectrode préparée avec le connecteur, il est nécessaire de fixer de manière fiable le fil sur une broche de connecteur électrique prédéfinie à l'intérieur du boîtier personnalisé (Figure 10). Dans ce processus,Tous les assemblages de boîtiers personnalisés impliqués, utilisant la technologie de microstéréolithographie par projection de face (pμsl) de précision de Morgan(microarch)®Le S240, 精度： de 10 μm)Effectuer la fabrication- Oui.Figure 10: processus de fabrication et d’assemblage de l’équipement en trois étapes: (i) Processus d’impression 3D (A - d), (II) fabrication et assemblage de composants conducteurs avec dispositifs microfluidiques (E - k) et (III) Processus d’encapsulation et d’assemblage final (L - S).Résumé: Cette recherche a permis de développer avec succès une sonde Optogénétique multifonctionnelle basée sur la technologie d'impression 3D qui intègre la photostimulation à la fonction de livraison de liquide, permettant une seule intervention chirurgicale pour compléter l'injection virale et l'implantation du dispositif, réduisant considérablement le traumatisme chirurgical et la réponse immunitaire, et améliorant l'efficacité et La fiabilité des expériences.L'émergence de cette technologie a non seulement fourni un outil plus puissant et plus pratique pour la recherche fondamentale en neurosciences, mais a également ouvert de nouvelles voies pour le développement futur de dispositifs de neurorégulation pour le traitement clinique, etc.Avec le boisAvec le développement ultérieur de la science des matériaux et des technologies de micro et Nanofabrication, ces dispositifs d'Interface neuronale intégrés et personnalisables devraient jouer un rôle de plus en plus important dans le traitement futur des maladies neurologiques et l'interaction homme - machine.
