A tecnologia fotogenética, com sua capacidade de regulação de alta precisão da atividade neuronal, tornou-se uma ferramenta importante para a pesquisa neurocientífica moderna. Experimentos fotogenéticos tradicionais requerem duas cirurgias independentes: injeção de um veículo viral que carrega o gene da proteína sensível à luz e uma segunda cirurgia para implantar uma sonda de estimulação fotográfica após 1-2 semanas de expressão genética. Este esquema de cirurgia dupla não só aumenta a complexidade do experimento, mas também agrava lesões tecidais e respostas inflamatórias.
Recentemente, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Nova York em Abu Dhabi desenvolveu umSonda neuronal fotogenética multimodal impressa em 3D (MIO)，Integração de estímulos fotogenéticos e funções de entrega de medicamentos/vírus microfluidos em um único dispositivoO estudo resolveu com sucesso os desafios que exigem múltiplas cirurgias em pesquisas fotogenéticas tradicionais, fornecendo uma solução eficiente, personalizável e pouco invasiva para o campo da neurociência. Com o títuloSonda neural optogenética impressa em 3D integrada com tubo microfluidico para entrega de opsina / droga”PublicaçãoEm periódicos internacionaisRelatórios Científicos"Para cima.
MIOSondaOs componentes principais incluem micro-LEDs (μLEDs) para estimulação de luz e microfluxos de 150 microns de diâmetroRealizávelEntrega precisa de portadores de vírus ou medicamentos. Esta inovação no design otimizou o processo cirúrgico tradicional de injeção de vírus e implante de sonda para uma única operação, simplificando significativamente as etapas experimentais. Os pesquisadores implementaram com sucesso um implante de sonda no núcleo subtalamico do cérebro (STN), uma área cerebral crítica para a regulação do movimento, sincronizando a injeção do veículo viral com a fixação do dispositivo por meio de uma única cirurgia (Figura 1).
Figura 1. (a) O processo tradicional inclui injeção estereodirecionada de um veículo viral para expressar a optoproteina fotosensível nos neurônios alvo e, em seguida, implantação cirúrgica de uma sonda óptica para transmitir pulsos de luz controlados para modulação neurônica. (b) Processo integrado de implantação de equipamentos fotogenéticos para transmissão de vírus em combinação com microfluidos. Isso inclui a colocação estereodirecionada do dispositivo na área do cérebro alvo, onde o microfluido transmite um veículo viral para expressar a retina fotosensível em neurônios específicos e, em seguida, ativa simultaneamente ou consecutivamente a sonda óptica para transmitir pulsos de luz controlados para modulação neurônica precisa.Em termos de caracterização de desempenho, a equipe de pesquisaSondaFoi realizado um teste sistemático (Figura 2). Os dados de teste elétrico e óptico mostram (Figura 3) que o dispositivo pode emitir estímulos de luz azul de saída estável a uma tensão de trabalho de 3,0 V (corrente correspondente de cerca de 12 mA), com seu comprimento de onda de pico luminoso (465 nm) correspondendo à altura do espectro de resposta da proteína fotosensível ChR2 e intensidade de luz superior ao limiar de ativação (1 mW / mm²).Figura 2. (a) Visão do sistema global do dispositivo fotoeletrodo proposto com canal de microfluido integrado para a administração de retinas / medicamentos. b) ProduçãoImagens para o dispositivo MIO. O dispositivo emite luz azul sob accionamento de corrente de 1mA. O esquema principal mostra o fotoeletrodo da iluminação; A ilustração à direita mostra a largura (cerca de 270 µm) e a espessura (cerca de 150 µm), respectivamente.Figura 3. (a) eletricidade do μLEDCorrente - Tensãocurva (n = 5). b) A intensidade da luz medida pelo dispositivo em diferentes correntes de entrada (n = 5). c) EsteTeste do μLED usado no trabalhoA intensidade relativa da luz (curva azul) é comparada ao espectro de resposta ChR2 (curva preta).Experimentos de validação térmica mostraram que, em condições experimentais em ambientes in vivo simulados, o aumento da temperatura da sonda pode ser estritamente controlado dentro do limiar de segurança de 2 ° C, mesmo com frequências de estímulo e largura de pulso mais elevadas. Este resultado confirma que a sonda tem uma excelente capacidade de gerenciamento térmico, evitando eficazmente danos térmicos ao tecido nervoso periférico e atendendo aos requisitos de estabilidade das propriedades físicas da regulação neurológica no corpo a longo prazo.
Figura 4. a) Dispositivo de ensaio de validação térmica. b) Variações de temperatura medidas em diferentes taxas de estímulo e larguras de pulso (ΔT) com uma corrente de entrada de 5 mA. A linha traçada ΔT = 2 ° C indica um limiar de segurança, excedendo o qual pode causar danos térmicos ao tecido nervoso.
Através de um experimento comportamental de sete semanas, o estudo comparou o grupo experimental com uma sonda MIO implantada com o grupo de controle que usou uma sonda de fibra óptica convencional, que requeria duas cirurgias (Figura 5). Os dados mostraram que os estímulos fotogenéticos aumentaram significativamente a distância e a velocidade do movimento em ambos os grupos de camundongos), demonstrando que ambos os dispositivos eram eficazes para ativar os neurônios STN e regular o comportamento motor. Notavelmente, os grupos de sondas MIO mostraram uma resposta comportamental mais estável e consistente ao longo do ciclo experimental, sugerindo que a estratégia de implante integrada para uma única cirurgia pode dar ao dispositivo uma estabilidade e efeitos reguladores melhores a longo prazo.
Figura 5. Comparação de aplicações de eletrodos de fibra óptica com sondas MIO no monitoramento da atividade motora de ratos.A biocompatibilidade e a eficácia funcional da sonda MIO foram verificadas por meio de análises imunohistoquímicas marcadas com fluorescência mCherry. Os pesquisadores observaram expressão mCherry evidente na região STN, sugerindo que a sonda MIO conseguiu com sucesso a entrega direcionada de um veículo viral e guiou a expressão eficiente da proteína ChR2 nos neurônios alvo. Este resultado confirma a viabilidade de um único esquema de integração cirúrgica a nível molecular, fornecendo evidências críticas para a aplicação do dispositivo em neuroregulação a longo prazo (Figura 6).Figura 6. Slices horizontais representativas perto da trajetória de implante da região STN expressa por mCherry.
Em comparação com o grupo de controle, a densidade de neurônios em torno da área de implante da sonda MIO foi significativamente maior. A análise quantitativa da coloração NeuN mostrou que o grupo MIO mostrou melhor conservação neurônica em todas as regiões a uma distância de 50-200 μm do ponto de implante (Figura 7).A análise imunohimica do marcador de astrócitos GFAP mostrou uma redução significativa nos níveis de ativação de astrócitos em torno do ponto de implante do grupo MIO (Figura 8). Ao mesmo tempo, o número de microglias ativadas marcadas por ED1 também diminuiu significativamente, confirmando o controle eficaz da resposta inflamatória (Figura 9).
Essa série de evidências histológicas confirma fortemente as vantagens únicas de uma única estratégia cirúrgica: a redução significativa de lesões mecânicas e respostas inflamatórias secundárias causadas pelo implante, evitando traumatismos tecidos repetidos. Este efeito protetor não se manifesta apenas na conservação do número de neurônios, mas também na redução da formação de cicatrizes gliais, fornecendo uma base histológica sólida para a estabilidade funcional a longo prazo do dispositivo.Figura 7. Seções representativas de nível do cérebro perto da trajetória de implante da região STN com mancha NeuN.Figura 8. Seções representativas de nível do cérebro perto da trajetória do implante da região STN com GFAP.Figura 9. cortes cerebrais de nível representativo perto da trajetória de implante da região STN com mancha ED1.Para conectar elétricamente o optoelétrodo preparado ao conector, é necessário fixar o fio de forma confiável aos pinos do conector elétrico pré-definidos dentro da carcaça personalizada (Figura 10). Neste processo,Todos os componentes de carcaça personalizados envolvidos, com tecnologia de microfotografia estereográfica de projeção facial (PμSL) de precisão mótrica(microarco)®O S240. 精度： 10 milímetros)Realizar a fabricação- É.O processo de fabricação e montagem de equipamentos é dividido em três fases: (i) o processo de impressão 3D (a-d), (ii) a fabricação e montagem de componentes condutores e microfluidos (e-k) e (iii) o processo de embalagem e montagem total (l-s).Resumo: Este estudo desenvolveu com sucesso uma sonda fotogenética multifuncional baseada em tecnologia de impressão 3D que integrou a estimulação fotográfica com a função de entrega de líquido, permitindo uma única injeção de vírus e implante de dispositivo, reduzindo significativamente o trauma cirúrgico e a resposta imunológica, e melhorando a eficiência e confiabilidade dos experimentos.O surgimento da tecnologia não só oferece uma ferramenta mais poderosa e conveniente para a pesquisa neurocientífica básica, mas também abre caminhos para o desenvolvimento futuro de dispositivos neuroreguladores para o tratamento clínico.Com o materialCom o avanço da ciência física e da tecnologia de microfabricação, tais dispositivos de interface neural integrados e customizáveis podem desempenhar um papel cada vez mais importante em áreas como o tratamento de doenças neurológicas e a interação humano-computador no futuro.
