光遺傳學(xué)能夠用光精確控制神經(jīng)細(xì)胞群體，從而實(shí)現(xiàn)興奮或抑制。通過(guò)簡(jiǎn)單地打開或關(guān)閉燈，科學(xué)家可以研究不同細(xì)胞如何協(xié)同工作，并有可能開發(fā)出新的治療干預(yù)措施。然而，將光傳遞給在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中經(jīng)歷緊張的外周神經(jīng)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。由剛性材料制成的光輸送裝置，如二氧化硅纖維，會(huì)阻礙動(dòng)物的自然行為，并可能導(dǎo)致組織損傷。
水凝膠是一種高含水量的交聯(lián)聚合物，由于其可調(diào)的機(jī)械性能和在可見光范圍內(nèi)的光學(xué)透明度，是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中向周圍神經(jīng)輸送光的有前途的替代品。通常，這些柔軟且可拉伸的材料在動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過(guò)程中容易因反復(fù)變形而發(fā)生疲勞斷裂。此外，大多數(shù)水凝膠的折射率不足以有效地引導(dǎo)纖維芯內(nèi)的光，導(dǎo)致相當(dāng)大的光損失。因此，研究人員正在尋找一種能夠在動(dòng)態(tài)條件下有效傳遞光線，同時(shí)保護(hù)動(dòng)物天然行為的方法。
為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，麻省理工學(xué)院趙選賀、Polina Anikeeva、劉心悅和紐約州立大學(xué)賓漢姆頓分校Siyuan Rao等研究人員通過(guò)控制聚合物納米晶域的生長(zhǎng)來(lái)設(shè)計(jì)水凝膠的光學(xué)和機(jī)械性能。
這種方法能夠創(chuàng)建抗疲勞水凝膠，即使在連續(xù)變形的情況下，也能表現(xiàn)出高透射率和高折射率。具體而言，研究人員構(gòu)建了一種基于水凝膠的光纖，該光纖包含具有不同折射率的聚乙烯醇水凝膠的芯-包層結(jié)構(gòu)。在纖維的遠(yuǎn)端，水凝膠套囊包裹著坐骨神經(jīng)。通過(guò)在水凝膠制造過(guò)程中利用退火和交聯(lián)策略，研究人員設(shè)計(jì)了納米晶域以獲得最佳的光吸收、散射和折射特性。例如，作者在水凝膠光學(xué)核心中引入更多的納米晶域，以確保其折射率超過(guò)水凝膠包層和體液的折射率，將光限制在水凝膠核心內(nèi)。
圖|水凝膠光纖的設(shè)計(jì)與機(jī)理
水凝膠內(nèi)聚合物納米晶域的形成產(chǎn)生的纖維具有 1.07 dB/cm 的低光學(xué)損耗，而且這些納米晶疇在重復(fù)纖維拉伸過(guò)程中也有助于提高機(jī)械彈性，疲勞強(qiáng)度為1.4?MPa，抵抗30000次拉伸循環(huán)。
作為概念驗(yàn)證應(yīng)用，研究人員將這些抗疲勞水凝膠光纖植入小鼠的坐骨神經(jīng)上，這些神經(jīng)表達(dá)視紫紅質(zhì)（光控離子通道）以進(jìn)行激發(fā)或氯泵以進(jìn)行抑制，從而通過(guò)光遺傳學(xué)激活或抑制神經(jīng)活動(dòng)。使用慢性炎癥疼痛小鼠模型，觀察到在小鼠的自然行為中，向坐骨神經(jīng)輸送光可以減輕疼痛超敏反應(yīng)。這種光遺傳學(xué)疼痛抑制效應(yīng)在 8 周內(nèi)的自然行為小鼠中觀察到，纖維在超過(guò) 30000 次變形循環(huán)后仍保持其功能。
圖|水凝膠光纖實(shí)現(xiàn)的光遺傳學(xué)刺激
圖|水凝膠光纖對(duì)自然行為小鼠痛覺的光遺傳學(xué)抑制
抗疲勞水凝膠光纖的演示為運(yùn)動(dòng)期間將光傳輸?shù)街車窠?jīng)開辟了途徑。水凝膠纖維的合成和制造可以使用成型技術(shù)放大，從而能夠生產(chǎn)具有不同直徑、可調(diào)折射率和高均勻性的纖維。這種增強(qiáng)可以進(jìn)一步減少光損失，使這些纖維更適合大型動(dòng)物。
除了周圍神經(jīng)外，光傳輸策略還可以應(yīng)用于其他運(yùn)動(dòng)器官，例如心臟和腸道。這些水凝膠纖維的實(shí)用性已被證實(shí)主要用于光傳輸，充當(dāng)光波導(dǎo)。然而，在未來(lái)，它們的功能陣列可以擴(kuò)展到其他基于水凝膠的功能組件，例如用于電生理學(xué)的微電極。
展望未來(lái)，作者的目標(biāo)是增強(qiáng)水凝膠纖維的性能和適應(yīng)性。除了將光傳遞到組織進(jìn)行光遺傳學(xué)刺激之外，這些纖維還可以通過(guò)使用離子和神經(jīng)遞質(zhì)的熒光指示劑從組織中提取光進(jìn)行光學(xué)記錄。因此，水凝膠光纖可以在自然動(dòng)物行為的背景下實(shí)現(xiàn)同步神經(jīng)調(diào)制和光學(xué)記錄。這些進(jìn)展將有助于未來(lái)對(duì)周圍神經(jīng)系統(tǒng)的研究。
參考文獻(xiàn)：
Liu, X., Rao, S., Chen, W. et al. Fatigue-resistant hydrogel optical fibers enable peripheral nerve optogenetics during locomotion. Nat Methods (2023).
https://doi.org/10.1038/s41592-023-02020-9
