國際學(xué)術(shù)期刊Advanced Optical Materials近日在線發(fā)表了中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院－MIT麥戈文聯(lián)合腦認(rèn)知與腦疾病研究所研究團(tuán)隊的最新成果Ultra-soft and Highly Stretchable Hydrogel Optical Fibers for In Vivo Optogenetic Modulations（DOI:10.1002/adom.201800427）。該研究首次采用柔性可拉伸的水凝膠光纖，在動物活體水平實現(xiàn)了對目標(biāo)神經(jīng)元的選擇性調(diào)控。這一“在體柔性光遺傳技術(shù)”的建立，有望為神經(jīng)精神疾病的治療提供新的工具。
由于光遺傳技術(shù)同時兼具毫秒級的時間分辨率和細(xì)胞選擇性，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于神經(jīng)環(huán)路的精準(zhǔn)解析和調(diào)控，并且在神經(jīng)精神疾病的治療研究中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。目前，在實施活體水平光遺傳學(xué)調(diào)控的過程中，研究者主要是通過埋置在體內(nèi)的石英光纖將特定波長的激光導(dǎo)入，從而實現(xiàn)對目標(biāo)神經(jīng)組織的選擇性調(diào)控。然而，由于傳統(tǒng)的石英光纖具有較高的楊氏模量（1-10GPa），與神經(jīng)組織（1-10kPa）極不匹配，長期植入后可能會引發(fā)光纖周圍神經(jīng)組織的反復(fù)損傷，降低調(diào)控的效果。更為重要的是，傳統(tǒng)光纖與神經(jīng)組織之間巨大的力學(xué)性能差異，嚴(yán)重限制了光遺傳技術(shù)在大形變神經(jīng)組織（例如脊髓、視神經(jīng)、迷走神經(jīng)、坐骨神經(jīng)等）中的應(yīng)用。
為了解決上述問題，研究團(tuán)隊合成了具有高導(dǎo)光性的海藻酸鈉-聚丙烯酰胺水凝膠材料，并且在此基礎(chǔ)上制備出了直徑為100-600微米的水凝膠光纖。制備的水凝膠光纖具有優(yōu)異的光學(xué)和力學(xué)性能，在空氣中測得的光傳導(dǎo)損失率僅為0.25dB/cm，楊氏模量與神經(jīng)組織接近（約60kPa），并且能反復(fù)拉伸至初始長度的400%以上。借助這種水凝膠光纖，可以穩(wěn)定地誘發(fā)出神經(jīng)元的特異性相應(yīng)，并實現(xiàn)對動物行為的控制。此外，與傳統(tǒng)的石英光纖相比，這種水凝膠光纖具有更佳的組織相容性。并且在經(jīng)過長期的體內(nèi)埋植后，水凝膠光纖仍能基本保持原有的光學(xué)和力學(xué)性能。得益于上述特性，團(tuán)隊研發(fā)的水凝膠光纖將為光遺傳技術(shù)在脊髓和周邊神經(jīng)的應(yīng)用乃至未來的臨床化發(fā)展提供重要的技術(shù)支持。
圖1. 水凝膠光纖的在體應(yīng)用
圖2. 光遺傳刺激顯著增加了小鼠的轉(zhuǎn)圈行為
王璐璐和鐘成為論文的共同第一作者，研究員王立平和副研究員魯藝為共同通訊作者。這項工作是上述團(tuán)隊繼光電極及神經(jīng)界面技術(shù)后（Biomaterials，2012；Journal of Neuroscience Methods，2014；Nature Communications，2016；Electrochemistry Communications，2017），在光遺傳學(xué)技術(shù)領(lǐng)域取得的又一重要進(jìn)展。該研究受國家自然科學(xué)基金委、中科院、廣東省科技廳、深圳市科技創(chuàng)新委、深圳市發(fā)展改革委等部門項目的資助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.201800427
