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當(dang)前位置(zhi)：首(shou)頁技(ji)術文章(zhang)3D打(da)印(yin)集(ji)成(cheng)微(wei)流控光(guang)遺傳(chuan)學(xue)神經(jing)探(tan)針(zhen)，整(zheng)合(he)光(guang)刺(ci)激(ji)與藥物/病(bing)毒遞(di)送功能(neng)

3D打印(yin)集(ji)成(cheng)微(wei)流控光(guang)遺傳(chuan)學(xue)神經(jing)探(tan)針(zhen)，整(zheng)合(he)光(guang)刺(ci)激(ji)與藥物/病(bing)毒遞(di)送功能(neng)

更新時間：2025-11-24

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光(guang)遺傳(chuan)學(xue)技(ji)術憑借(jie)其(qi)對(dui)神經(jing)元活動的高(gao)精(jing)度(du)調(tiao)控能(neng)力(li)，已(yi)成(cheng)為現(xian)代(dai)神(shen)經(jing)科(ke)學研(yan)究(jiu)的重(zhong)要(yao)工具(ju)。傳(chuan)統光(guang)遺傳(chuan)學(xue)實驗需(xu)要(yao)進行兩次(ci)獨(du)立(li)手(shou)術：註射攜帶(dai)光(guang)敏感蛋白基(ji)因(yin)的(de)病(bing)毒載體，待1-2周(zhou)基(ji)因(yin)表(biao)達後(hou)再進行第二(er)次(ci)手(shou)術植入(ru)光(guang)刺(ci)激(ji)探(tan)針(zhen)。這種雙(shuang)手(shou)術方案(an)不僅(jin)增(zeng)加實驗復(fu)雜度(du)，還(hai)會(hui)加重組織(zhi)損傷和(he)炎(yan)癥反應(ying)。

近(jin)期(qi)，紐(niu)約大學阿(e)布紮(zha)比(bi)分(fen)校(xiao)的研(yan)究(jiu)團隊(dui)開發(fa)了壹(yi)種3D打(da)印(yin)的(de)多模(mo)態光(guang)遺傳(chuan)神(shen)經(jing)探(tan)針(zhen)（MIO），將光(guang)遺傳(chuan)學(xue)刺(ci)激(ji)與微(wei)流控藥物/病(bing)毒遞(di)送功能(neng)集(ji)成(cheng)於(yu)單壹(yi)設(she)備。該(gai)研(yan)究(jiu)成(cheng)功解(jie)決了傳(chuan)統光(guang)遺傳(chuan)學(xue)研(yan)究(jiu)中需多(duo)次(ci)手(shou)術的難(nan)題(ti)，為神(shen)經(jing)科(ke)學領域(yu)提(ti)供(gong)了壹(yi)種高(gao)效、可定制(zhi)且微(wei)創的(de)解(jie)決方案(an)。以題(ti)為“3D-printed optogenetic neural probe integrated with microfluidic tube for opsin/drug delivery"發(fa)表(biao)在國(guo)際(ji)期(qi)刊(kan)《Scientific Reports》上。

MIO探(tan)針(zhen)的核心(xin)部(bu)件包括用(yong)於(yu)光(guang)刺(ci)激(ji)的微(wei)型(xing)LED（μLED）和(he)直徑(jing)為150微(wei)米(mi)的微(wei)流控管，可實現病(bing)毒載體或藥物的(de)精(jing)準(zhun)遞(di)送。這壹(yi)設(she)計(ji)突破(po)將傳(chuan)統的(de)病(bing)毒註射與探(tan)針(zhen)植入(ru)雙(shuang)手(shou)術流程優(you)化為單(dan)次(ci)操(cao)作，顯著(zhu)簡化了實驗步(bu)驟(zhou)。研(yan)究(jiu)人(ren)員在小(xiao)鼠丘腦底(di)核（STN）——運動調(tiao)控的(de)關(guan)鍵腦區——成(cheng)功實施了探(tan)針(zhen)植入(ru)，通(tong)過單次(ci)手(shou)術同步(bu)完(wan)成(cheng)了病(bing)毒載體註(zhu)射與設(she)備固(gu)定（圖(tu)1）。

圖(tu)1. (a) 傳(chuan)統流程包括立(li)體(ti)定向(xiang)註(zhu)射病(bing)毒載體以在目(mu)標神經(jing)元中表(biao)達光(guang)敏感視蛋白，隨後(hou)通(tong)過手術植入(ru)光(guang)學探(tan)針(zhen)以傳(chuan)遞(di)受(shou)控(kong)光(guang)脈沖進行神經(jing)元調(tiao)制。(b) 結(jie)合(he)微(wei)流控管進行病(bing)毒傳(chuan)遞(di)的光(guang)遺傳(chuan)學(xue)設(she)備植(zhi)入(ru)的集(ji)成(cheng)流程。它包(bao)括將設(she)備立(li)體(ti)定向(xiang)放(fang)置(zhi)到目標腦區，其(qi)中微(wei)流控管傳(chuan)遞(di)病(bing)毒載體以在特定神(shen)經(jing)元中表(biao)達光(guang)敏感視蛋白，隨後(hou)同時或後(hou)續激活光(guang)學探(tan)針(zhen)以傳(chuan)遞(di)受(shou)控(kong)光(guang)脈沖進行精(jing)確(que)神經(jing)元調(tiao)制。

在性(xing)能(neng)表(biao)征(zheng)方(fang)面，研(yan)究(jiu)團隊(dui)對(dui)MIO探(tan)針(zhen)進行了系(xi)統性(xing)測(ce)試（圖2）。電(dian)學與光(guang)學測(ce)試數據(ju)表(biao)明（圖(tu)3），該設(she)備在3.0V工(gong)作(zuo)電(dian)壓下(xia)（對(dui)應電(dian)流約12mA）可穩定輸(shu)出(chu)藍光(guang)刺(ci)激(ji)，其(qi)發(fa)光(guang)峰值波(bo)長(chang)（465nm）與ChR2光(guang)敏蛋白的(de)響(xiang)應光(guang)譜高(gao)度(du)匹(pi)配(pei)，光(guang)強(qiang)超(chao)過激活閾(yu)值(zhi)（1mW/mm²）。

圖2. (a) 集(ji)成(cheng)微(wei)流控通(tong)道的(de)所提出(chu)光(guang)電(dian)極(ji)設(she)備整(zheng)體(ti)系(xi)統視(shi)圖(tu)，用於(yu)視蛋白/藥物遞(di)送。(b) 制備MIO裝(zhuang)置(zhi)的(de)圖(tu)像(xiang)。該(gai)設(she)備在1mA電(dian)流驅(qu)動(dong)下(xia)發(fa)出(chu)藍光(guang)。主圖(tu)顯(xian)示(shi)照明的(de)光(guang)電(dian)極(ji)；右(you)側插(cha)圖(tu)分(fen)別顯示寬(kuan)度(du)(約270µm)和(he)厚度(du)(約150µm)。

圖(tu)3. (a) μLED的(de)電(dian)流-電(dian)壓曲線(xian)（n=5）。(b) 器件在不(bu)同(tong)輸(shu)入(ru)電(dian)流下(xia)測(ce)得(de)的(de)光(guang)強(qiang)（n=5）。(c) 本工作所用μLED的(de)實測相(xiang)對(dui)光(guang)強(qiang)（藍色(se)曲線(xian)）與ChR2響(xiang)應光(guang)譜（黑(hei)色(se)曲線(xian)）對(dui)比。

熱驗證(zheng)實驗表(biao)明，在模(mo)擬(ni)體(ti)內(nei)環境的實驗條(tiao)件下(xia)，即(ji)使采用較(jiao)高(gao)刺(ci)激(ji)頻率(lv)和(he)脈沖寬(kuan)度(du)，探(tan)針(zhen)的溫度(du)升(sheng)高也(ye)能(neng)嚴格(ge)控制(zhi)在2°C的(de)安(an)全(quan)閾(yu)值(zhi)內(nei)。這壹(yi)結果證實了該(gai)探(tan)針(zhen)具(ju)備優(you)異的熱管理能(neng)力(li)，可有效避(bi)免(mian)對(dui)周(zhou)圍(wei)神(shen)經(jing)組織(zhi)造成(cheng)熱損傷，滿(man)足長(chang)期(qi)在體(ti)神(shen)經(jing)調(tiao)控對(dui)物理(li)性(xing)能(neng)的穩(wen)定性(xing)要(yao)求。

圖(tu)4.（a）熱驗證(zheng)測試裝(zhuang)置(zhi)。（b）在輸(shu)入(ru)電(dian)流為5毫安(an)時(shi)，不(bu)同(tong)刺(ci)激(ji)速(su)率(lv)和(he)脈沖寬(kuan)度(du)下(xia)的(de)測(ce)量(liang)溫度(du)變(bian)化（ΔT）。虛線(xian)ΔT=2℃表(biao)示安(an)全(quan)閾(yu)值(zhi)，超(chao)過該閾(yu)值(zhi)可能(neng)會對(dui)神經(jing)組織(zhi)造成(cheng)熱損傷。

研(yan)究(jiu)通(tong)過為期(qi)七周(zhou)的(de)行為學(xue)實驗，系(xi)統比(bi)較(jiao)了植(zhi)入(ru)MIO探(tan)針(zhen)的實驗組與采用傳(chuan)統光(guang)纖探(tan)針(zhen)（需兩次(ci)手(shou)術）的對(dui)照組（圖5）。數(shu)據顯(xian)示(shi)，光(guang)遺傳(chuan)刺(ci)激(ji)均能(neng)顯著(zhu)提(ti)升(sheng)兩組小(xiao)鼠的(de)運動距離(li)和(he)速(su)度(du)），證(zheng)明兩種設(she)備均可有效激(ji)活STN神經(jing)元並(bing)調(tiao)控運動行為。值(zhi)得(de)註(zhu)意的(de)是(shi)，MIO探(tan)針(zhen)組在整(zheng)個(ge)實驗周(zhou)期(qi)內表(biao)現出更(geng)穩定、壹(yi)致的行為學(xue)響(xiang)應，提(ti)示單(dan)次(ci)手(shou)術的集(ji)成(cheng)植(zhi)入(ru)策略(lve)可能(neng)賦(fu)予(yu)設(she)備更(geng)優(you)的長(chang)期(qi)穩定性(xing)與調(tiao)控效果(guo)。

圖5. 光(guang)纖電(dian)極(ji)與MIO探(tan)針(zhen)在小(xiao)鼠運動活動監測(ce)中的應(ying)用(yong)對(dui)比。

通(tong)過mCherry熒光(guang)標記的免(mian)疫組織(zhi)化學分(fen)析(xi)，進壹(yi)步(bu)驗證(zheng)了MIO探(tan)針(zhen)的生(sheng)物相(xiang)容(rong)性(xing)與功能(neng)有效性(xing)。研(yan)究(jiu)者在STN區域觀察到明顯(xian)的mCherry表(biao)達，表(biao)明MIO探(tan)針(zhen)成(cheng)功實現了病(bing)毒載體的(de)靶向(xiang)遞(di)送，並引(yin)導(dao)ChR2蛋白在目(mu)標神經(jing)元中的高(gao)效表(biao)達。這壹(yi)結果從(cong)分(fen)子(zi)層面證實了單(dan)次(ci)手(shou)術集(ji)成(cheng)方(fang)案(an)的可行性(xing)，為設(she)備在長(chang)期(qi)神經(jing)調(tiao)控中的應(ying)用(yong)提供了關(guan)鍵證據(ju)（圖(tu)6）。

圖(tu)6. STN區域植入(ru)軌(gui)跡(ji)附近(jin)mCherry表(biao)達的(de)代(dai)表(biao)性(xing)水(shui)平切片。

與對(dui)照組相比(bi)，MIO探(tan)針(zhen)植入(ru)區域周(zhou)圍(wei)的(de)神(shen)經(jing)元密(mi)度(du)顯著(zhu)更(geng)高(gao)。通(tong)過NeuN染(ran)色定量(liang)分(fen)析(xi)顯示，在距離(li)植入(ru)點50-200μm的(de)各(ge)個(ge)區域中，MIO組均表(biao)現出更(geng)好的(de)神(shen)經(jing)元保存(cun)效果(guo)（圖7）。星(xing)形(xing)膠(jiao)質(zhi)細(xi)胞標記物GFAP的(de)免(mian)疫組化分(fen)析(xi)表(biao)明，MIO組植入(ru)點周(zhou)圍(wei)的(de)星(xing)形(xing)膠(jiao)質(zhi)細(xi)胞活化水(shui)平顯著(zhu)降(jiang)低(di)（圖(tu)8）。同時，ED1標記的活化小(xiao)膠(jiao)質(zhi)細(xi)胞數量(liang)也明顯(xian)減少(shao)，證(zheng)實了炎(yan)癥反應(ying)的(de)有效控(kong)制（圖(tu)9）。

這壹(yi)系列(lie)組織(zhi)學證(zheng)據(ju)有力(li)證實了單(dan)次(ci)手(shou)術策略(lve)的(de)獨(du)特優(you)勢(shi)：通(tong)過避(bi)免(mian)重(zhong)復(fu)的(de)組織(zhi)創傷，顯著(zhu)減(jian)輕了由植入(ru)物引(yin)起(qi)的(de)機械損傷和(he)繼發(fa)性(xing)炎(yan)癥反應(ying)。這種保護作(zuo)用不僅(jin)體現(xian)在神(shen)經(jing)元數(shu)量(liang)的保存(cun)上，還(hai)反(fan)映(ying)在膠(jiao)質(zhi)瘢痕(hen)形(xing)成(cheng)的(de)減(jian)少(shao)，為設(she)備的(de)長(chang)期(qi)功能(neng)穩定性(xing)提(ti)供了堅實的組織(zhi)學基(ji)礎(chu)。

圖7. STN區域植入(ru)軌(gui)跡(ji)附近(jin)NeuN染(ran)色的代(dai)表(biao)性(xing)水(shui)平腦切片。

圖(tu)8. STN區域植入(ru)軌(gui)跡(ji)附近(jin)GFAP染(ran)色的代(dai)表(biao)性(xing)水(shui)平腦切片。

圖(tu)9. STN區域植入(ru)軌(gui)跡(ji)附近(jin)ED1染(ran)色的代(dai)表(biao)性(xing)水(shui)平腦切片。

為將制(zhi)備完(wan)成(cheng)的(de)光(guang)電(dian)極(ji)與連接(jie)器實現電(dian)氣互(hu)聯(lian)，需(xu)要(yao)把導(dao)線(xian)可靠地(di)固定到定制(zhi)外殼(ke)內(nei)部(bu)預(yu)設(she)的電(dian)連接(jie)器引腳(jiao)上（圖10）。在此(ci)過程中，所涉及的所有定制(zhi)化外殼(ke)組件，均采用摩(mo)方(fang)精(jing)密(mi)的面投(tou)影(ying)微(wei)立(li)體(ti)光(guang)刻（PμSL）技(ji)術（microArch^® S240，精(jing)度(du)：10μm）進行制造(zao)。

圖10. 設(she)備的(de)制(zhi)造與組裝(zhuang)流程，分(fen)為三個(ge)階段：(i) 3D打(da)印(yin)流程（a-d），(ii) 導(dao)電(dian)組件與微(wei)流控器件的制造與組裝(zhuang)（e-k），以及(iii) 封裝(zhuang)與總裝(zhuang)流程（l-s）。

總結(jie)：這項研(yan)究(jiu)成(cheng)功開(kai)發(fa)了壹(yi)種基(ji)於(yu)3D打印(yin)技(ji)術的多(duo)功能(neng)光(guang)遺傳(chuan)學(xue)探(tan)針(zhen)，它將光(guang)刺(ci)激(ji)與液(ye)體(ti)遞(di)送功能(neng)整(zheng)合(he)，實現了單(dan)次(ci)手(shou)術完(wan)成(cheng)病(bing)毒註射和(he)設(she)備植(zhi)入(ru)，顯著(zhu)降(jiang)低(di)了手(shou)術創傷和(he)免(mian)疫反應，並提(ti)升(sheng)了實驗的(de)效率(lv)和(he)可靠性(xing)。該(gai)技(ji)術的出(chu)現，不僅(jin)為基(ji)礎神(shen)經(jing)科(ke)學研(yan)究(jiu)提供(gong)了壹(yi)個(ge)更強(qiang)大、更便捷(jie)的工具(ju)，也(ye)為未來開(kai)發(fa)用(yong)於(yu)臨床治(zhi)療(liao)的神(shen)經(jing)調(tiao)控裝(zhuang)置(zhi)等開辟(pi)了新的道(dao)路(lu)。隨著材(cai)料(liao)科(ke)學和(he)微(wei)納(na)制造技(ji)術的進壹(yi)步(bu)發(fa)展(zhan)，這類(lei)集(ji)成(cheng)化、可定制(zhi)的神經(jing)接(jie)口設(she)備有望在未來的(de)神(shen)經(jing)疾(ji)病(bing)治(zhi)療(liao)和(he)人(ren)機交(jiao)互(hu)等領域(yu)發(fa)揮(hui)越來越(yue)重(zhong)要(yao)的作(zuo)用(yong)。

上壹(yi)條光(guang)固化3D打印(yin)機(ji)在使用過程中可能(neng)會遇(yu)到以下(xia)問(wen)題(ti)
下(xia)壹(yi)條光(guang)固化3D打印(yin)機(ji)是由哪幾大部分(fen)組成(cheng)的(de)呢(ne)？