Sợi quangpolymer mềm và co giãn cho kích thích quang sinh học mạn tính ở não và dây thần kinh phế vị trên động vật tự do hành vi

BMC Biology - Tập 19 - Trang 1-13 - 2021
Yi Cao1,2, Suwan Pan1,2, Mengying Yan2, Chongyang Sun2, Jianyu Huang2, Cheng Zhong2, Liping Wang2, Lu Yi2
1School of Life Sciences, Division of Life Sciences and Medicine, University of Science and Technology of China, Hefei, China
2Guangdong Provincial Key Laboratory of Brain Connectome and Behavior, CAS Key Laboratory of Brain Connectome and Manipulation, the Brain Cognition and Brain Disease Institute, Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen-Hong Kong Institute of Brain Science-Shenzhen Fundamental Research Institutions, Shenzhen, China

Tóm tắt

Mặc dù kích thích điện của hệ thần kinh ngoại biên và trung ương đã thu hút nhiều sự chú ý nhờ vào tiềm năng tác dụng điều trị đối với các bệnh thần kinh tâm thần, nhưng đặc điểm kích hoạt không đặc hiệu theo loại tế bào của nó có thể cản trở việc ứng dụng lâm sàng rộng rãi. Khác với các phương pháp điện, optogenetics gần đây đã được áp dụng như một cách tiếp cận đặc hiệu theo loại tế bào để điều chỉnh chính xác chức năng thần kinh in vivo, chẳng hạn như trên dây thần kinh phế vị. Các hướng dẫn quang học cấy ghép thông dụng thường là sợi quang silica, mà đối với kích thích quang sinh học não (BOS) thường được cố định trên xương sọ. Tuy nhiên, do sự không tương thích lớn về tính chất cơ học giữa các cấy ghép quang học cứng và các mô phế vị có thể biến dạng, kích thích quang sinh học dây thần kinh phế vị (VNOS) ở động vật tự do vẫn là một thách thức lớn. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi phát triển một phương pháp đơn giản để chế tạo sợi quang polymer (POFs) mềm và co giãn, cho thấy đặc điểm cải thiện đáng kể cho các ứng dụng quang sinh học in vivo, cụ thể là mô đun Young thấp, độ co giãn cao, tính tương thích sinh học cải thiện và tính ổn định lâu dài. Chúng tôi đã cấy ghép POFs vào vỏ não vận động sơ cấp của chuột C57 sau khi biểu hiện hoạt động thần kinh phụ thuộc tần số và những thay đổi hành vi trong quá trình chiếu sáng được phát hiện với CaMKIIα-ChR2-mCherry. Khả năng thí nghiệm của POFs như các hướng dẫn cấy ghép cho VNOS đã được xác nhận bởi tỷ lệ kích thích tăng lên của các neuron GABAergic nội tại bắn nhanh được ghi lại trong dây thần kinh phế vị trái của chuột VGAT-ChR2 chuyển gen. Hơn nữa, VNOS được thực hiện trên các động vật gặm nhấm tự do di chuyển thông qua POFs cấy ghép lâu dài, và ảnh hưởng ức chế lên hệ tim mạch cũng như tác dụng giảm lo âu trên hành vi đã được thể hiện. Kết quả của chúng tôi chứng minh tính khả thi và lợi ích của việc sử dụng POFs trong các điều chỉnh quang sinh học mạn tính ở cả hệ thần kinh trung ương và ngoại biên, cung cấp thông tin mới cho việc phát triển các chiến lược điều trị mới cho các rối loạn thần kinh tâm thần.

Từ khóa

#Kích thích quang sinh học #sợi quang polymer #mô học #dây thần kinh phế vị #động vật tự do hành vi #điều chỉnh chức năng thần kinh #rối loạn thần kinh tâm thần.

Tài liệu tham khảo

Rosas-Ballina M, Olofsson PS, Ochani M, Valdes-Ferrer SI, Levine YA, Reardon C, et al. Acetylcholine-synthesizing T cells relay neural signals in a vagus nerve circuit. Science. 2011;334(6052):98–101. https://doi.org/10.1126/science.1209985. Flood JF, Smith GE, Morley JE. Modulation of memory processing by cholecystokinin - dependence on the vagus nerve. Science. 1987;236(4803):832–4. https://doi.org/10.1126/science.3576201. Sampson TR, Debelius JW, Thron T, Janssen S, Shastri GG, Ilhan ZE, et al. Gut Microbiota Regulate Motor Deficits and Neuroinflammation in a model of Parkinson’s disease. Cell. 2016;167(6):1469–80. https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.11.018. Ayabe T, Ohya R, Taniguchi Y, Shindo K, Kondo K, Ano Y. Matured hop-derived bitter components in beer improve hippocampus-dependent memory through activation of the vagus nerve. Scientific Reports. 2018;8(1):15372. https://doi.org/10.1038/s41598-018-33866-1. Rajendran PS, Challis RC, Fowlkes CC, Hanna P, Tompkins JD, Jordan MC, et al. Identification of peripheral neural circuits that regulate heart rate using optogenetic and viral vector strategies. Nature Communications. 2019;10(1):1944. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09770-1. Chang RB, Strochlic DE, Williams EK, Umans BD, Liberles SD. Vagal sensory neuron subtypes that differentially control breathing. Cell. 2015;161(3):622–33. https://doi.org/10.1016/j.cell.2015.03.022. Moshe SL, Perucca E, Ryvlin P, Tomson T. Epilepsy: new advances. Lancet. 2015;385(9971):884–98. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(14)60456-6. Genheimer H, Andreatta M, Asan E, Pauli P. Reinstatement of contextual conditioned anxiety in virtual reality and the effects of transcutaneous vagus nerve stimulation in humans. Scientific Reports. 2017;7(1):17886. https://doi.org/10.1038/s41598-017-18183-3. Cunningham JT, Mifflin SW, Gould GG, Frazer A. Induction of c-Fos and DeltaFosB immunoreactivity in rat brain by vagal nerve stimulation. Neuropsychopharmacology. 2008;33(8):1884–95. https://doi.org/10.1038/sj.npp.1301570. Lu Y, Li YL, Pan JQ, Wei PF, Liu N, Wu BF, et al. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(styrenesulfonate)-poly(vinyl alcohol)/poly(acrylic acid) interpenetrating polymer networks for improving optrode-neural tissue interface in optogenetics. Biomaterials. 2012;33(2):378–94. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2011.09.083. Shin G, Gomez AM, Al-Hasani R, Jeong YR, Kim J, Xie ZQ, et al. Flexible near-field wireless optoelectronics as subdermal implants for broad applications in optogenetics. Neuron. 2017;93(3):509–21. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2016.12.031. Carus-Cadavieco M, Gorbati M, Ye L, Bender F, van der Veldt S, Kosse C, et al. Gamma oscillations organize top-down signalling to hypothalamus and enable food seeking. Nature. 2017;542(7640):232–6. https://doi.org/10.1038/nature21066. Stauffer WR, Lak A, Yang A, Borel M, Paulsen O, Boyden ES, et al. Dopamine neuron-specific optogenetic stimulation in rhesus macaques. Cell. 2016;166(6):1564–71. https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.024. Krook-Magnuson E, Soltesz I. Beyond the hammer and the scalpel: selective circuit control for the epilepsies. Nature Neuroscience. 2015;18(3):331–8. https://doi.org/10.1038/nn.3943. Gradinaru V, Mogri M, Thompson KR, Henderson JM, Deisseroth K. Optical deconstruction of parkinsonian neural circuitry. Science. 2009;324(5925):354–9. https://doi.org/10.1126/science.1167093. Chaudhury D, Walsh JJ, Friedman AK, Juarez B, Ku SM, Koo JW, et al. Rapid regulation of depression-related behaviours by control of midbrain dopamine neurons. Nature. 2013;493(7433):532–6. https://doi.org/10.1038/nature11713. Lu Y, Zhong C, Wang LL, Wei PF, He W, Huang K, et al. Optogenetic dissection of ictal propagation in the hippocampal-entorhinal cortex structures. Nature Communications. 2016;7(1):10962. https://doi.org/10.1038/ncomms10962. Namboodiri VMK, Otis JM, van Heeswijk K, Voets ES, Alghorazi RA, Rodriguez-Romaguera J, et al. Single-cell activity tracking reveals that orbitofrontal neurons acquire and maintain a long-term memory to guide behavioral adaptation. Nature Neuroscience. 2019;22(7):1110–21. https://doi.org/10.1038/s41593-019-0408-1. Owen SF, Liu MH, Kreitzer AC. Thermal constraints on in vivo optogenetic manipulations. Nature Neuroscience. 2019;22(7):1061–5. https://doi.org/10.1038/s41593-019-0422-3. Yang HB, Yang JH, Xi W, Hao SJ, Luo BY, He XB, et al. Laterodorsal tegmentum interneuron subtypes oppositely regulate olfactory cue-induced innate fear. Nature Neuroscience. 2016;19(2):283–9. https://doi.org/10.1038/nn.4208. Zhou WJ, He YL, Rehman AU, Kong Y, Hong SG, Ding GL, et al. Loss of function of NCOR1 and NCOR2 impairs memory through a novel GABAergic hypothalamus-CA3 projection. Nature Neuroscience. 2019;22(2):205–17. https://doi.org/10.1038/s41593-018-0311-1. Xu W, Sudhof TC. A neural circuit for memory specificity and generalization. Science. 2013;339(6125):1290–5. https://doi.org/10.1126/science.1229534. Chen R, Canales A, Anikeeva P. Neural recording and modulation technologies. Nature Reviews Materials. 2017;2(2):16093. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.93. Kim TI, McCall JG, Jung YH, Huang X, Siuda ER, Li YH, et al. Injectable, cellular-scale optoelectronics with applications for wireless optogenetics. Science. 2013;340(6129):211–6. https://doi.org/10.1126/science.1232437. Park SI, Brenner DS, Shin G, Morgan CD, Copits BA, Chung HU, et al. Soft, stretchable, fully implantable miniaturized optoelectronic systems for wireless optogenetics. Nature Biotechnology. 2015;33(12):1280–6. https://doi.org/10.1038/nbt.3415. Mickle AD, Won SM, Noh KN, Yoon J, Meacham KW, Xue YG, et al. A wireless closed-loop system for optogenetic peripheral neuromodulation. Nature. 2019;565(7739):361–5. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0823-6. Zhang Y, Mickle AD, Gutruf P, McIlvried LA, Guo H, Wu Y, et al. Battery-free, fully implantable optofluidic cuff system for wireless optogenetic and pharmacological neuromodulation of peripheral nerves. Science Advances. 2019;5(7):eaaw5296. Canales A, Jia XT, Froriep UP, Koppes RA, Tringides CM, Selvidge J, et al. Multifunctional fibers for simultaneous optical, electrical and chemical interrogation of neural circuits in vivo. Nature Biotechnology. 2015;33(3):277–84. https://doi.org/10.1038/nbt.3093. Lu C, Park S, Richner TJ, Derry A, Brown I, Hou C, et al. Flexible and stretchable nanowire-coated fibers for optoelectronic probing of spinal cord circuits. Science Advances. 2017;3(3):e1600955. https://doi.org/10.1126/sciadv.1600955. Park S, Guo YY, Jia XT, Choe HK, Grena B, Kang J, et al. One-step optogenetics with multifunctional flexible polymer fibers. Nature Neuroscience. 2017;20(4):612–9. https://doi.org/10.1038/nn.4510. Fu RX, Luo WH, Nazempour R, Tan DX, Ding H, Zhang KY, et al. Implantable and biodegradable poly(L-lactic acid) fibers for optical neural interfaces. Advanced Optical Materials. 2018;6(3):1700941. https://doi.org/10.1002/adom.201700941. Sun JY, Zhao XH, Illeperuma WRK, Chaudhuri O, Oh KH, Mooney DJ, et al. Highly stretchable and tough hydrogels. Nature. 2012;489(7414):133–6. https://doi.org/10.1038/nature11409. Wang LL, Zhong C, Ke DN, Ye FM, Tu J, Wang LP, et al. Ultrasoft and highly stretchable hydrogel optical fibers for in vivo optogenetic modulations. Advanced Optical Materials. 2018;6(16):1800427. https://doi.org/10.1002/adom.201800427. Choi M, Choi JW, Kim S, Nizamoglu S, Hahn SK, Yun SH. Light-guiding hydrogels for cell-based sensing and optogenetic synthesis in vivo. Nature Photonics. 2013;7(12):987–94. https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.278. Guo JJ, Liu XY, Jiang N, Yetisen AK, Yuk H, Yang CX, et al. Highly stretchable, strain sensing hydrogel optical fibers. Advanced Materials. 2016;28(46):10244–9. https://doi.org/10.1002/adma.201603160. Shadman S, Tung ND, Das Gupta T, Page AG, Richard I, Leber A, et al. Microstructured biodegradable fibers for advanced control delivery. Advanced Functional Materials. 2020;30(13):1910283. https://doi.org/10.1002/adfm.201910283. Dong R, Wang L, Hang C, Chen Z, Liu X, Zhong L, et al. Printed stretchable liquid metal electrode arrays for in vivo neural recording. Small. 2021;17(14):e2006612. https://doi.org/10.1002/smll.202006612. Li Y, Zheng C, Liu S, Huang L, Fang T, Li JX, et al. Smart glove integrated with tunable MWNTs/PDMS fibers made of a one-step extrusion method for finger dexterity, gesture, and temperature recognition. ACS Applied Materials Interfaces. 2020;12(21):23764–73. https://doi.org/10.1021/acsami.0c08114. Jeong SH, Zhang S, Hjort K, Hilborn J, Wu Z. PDMS-based elastomer tuned soft, stretchable, and sticky for epidermal electronics. Advanced Materials. 2016;28(28):5830–6. https://doi.org/10.1002/adma.201505372. George MS, Ward HE, Ninan PT, Pollack M, Nahas Z, Anderson B, et al. A pilot study of vagus nerve stimulation (VNS) for treatment-resistant anxiety disorders. Brain Stimulation. 2008;1(2):112–21. https://doi.org/10.1016/j.brs.2008.02.001. Hulsey DR, Riley JR, Loerwald KW, Rennaker RL, Kilgard MP, Hays SA. Parametric characterization of neural activity in the locus coeruleus in response to vagus nerve stimulation. Experimental Neurology. 2017;289:21–30. https://doi.org/10.1016/j.expneurol.2016.12.005. George MS, Ward HE Jr, Ninan PT, Pollack M, Nahas Z, Anderson B, et al. A pilot study of vagus nerve stimulation (VNS) for treatment-resistant anxiety disorders. Brain Stimulation. 2008;1(2):112–21. https://doi.org/10.1016/j.brs.2008.02.001. Lu Y, Wang D, Li T, Zhao X, Cao Y, Yang H, et al. Poly(vinyl alcohol)/poly(acrylic acid) hydrogel coatings for improving electrode-neural tissue interface. Biomaterials. 2009;30(25):4143–51. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2009.04.030. Aston-Jones G, Chen S, Zhu Y, Oshinsky ML. A neural circuit for circadian regulation of arousal. Nature Neuroscience. 2001;4(7):732–8. https://doi.org/10.1038/89522. Noble LJ, Meruva VB, Hays SA, Rennaker RL, Kilgard MP, McIntyre CK. Vagus nerve stimulation promotes generalization of conditioned fear extinction and reduces anxiety in rats. Brain Stimulation. 2019;12(1):9–18. https://doi.org/10.1016/j.brs.2018.09.013.
Thông tin
Thông tin xuất bản

BMC Biology

Tập 19

1-13

Thông tin tác giả