Nature Methods：用于改變體感的抗疲勞可拉伸水凝膠

一、【導讀】

光遺傳學通過對特定細胞群的活動進行精確控制，改變了系統神經科學領域。雖然光遺傳學已被常規應用于大腦回路研究，但將其應用于劇烈運動的外周神經仍具有挑戰性。光傳輸裝置由具有GPa模量的硅纖維等剛性材料組成，在反復變形和位移時可能會損壞模量在kPa到MPa范圍內的軟組織。此外，將剛性裝置植入四肢可能會妨礙動物的自然行為。雖然通過微加工制造的帶有微型發光二極管的柔性裝置適用于刺激自由活動的嚙齒類動物的外周神經和脊髓，但其復雜的設計給專業設施之外的實施帶來了挑戰。更值得注意的是，運動過程中的劇烈和反復變形可能會加速微加工設備內軟硬界面的疲勞失效，導致神經調控的功效和可靠性隨著時間的推移而降低。

?二、【成果掠影】

近日，美國麻省理工學院劉心悅博士、Polina Anikeeva教授、趙選賀教授以及馬薩諸塞大學阿默斯特分校饒思圓博士等人開發了柔軟且可拉伸的抗疲勞水凝膠光纖，可在動物持續運動時對其外周神經進行光遺傳調控。通過在水凝膠中形成高分子納米晶域，纖維的光學損耗低至1.07 dB cm^-1，楊氏模量為1.6 MPa，可拉伸200%，拉伸30000次后的疲勞強度為1.4 MPa。水凝膠纖維可將光傳遞到坐骨神經，在為期6周的自主車輪跑步試驗中，光遺傳激活Thy1::ChR2小鼠的后肢肌肉，同時經歷反復變形。此外，這種纖維還能在炎癥模型中對TRPV1::NpHR小鼠進行為期8周的疼痛超敏反應進行光學抑制。制備的水凝膠纖維為外周神經光遺傳學提供了一種運動適應性強、堅固耐用的解決方案，有助于體感的研究。研究成果以題為“Fatigue-resistant hydrogel optical fibers enable peripheral nerve optogenetics during locomotion”發表在知名期刊Nature Methods上。

三、【核心創新點】

1、開發了一種柔軟、可反復拉伸的水凝膠光纖；

2、將這種柔性光纖植入體內，不僅能夠有效的把光信號傳輸到運動情況復雜的外周神經，同時不影響實驗動物持續的正常運動；

3、在實驗動物正常自然行為學的狀態下，通過光遺傳學實現了對外周神經刺激和抑制。

四、【數據概覽】

圖1? 水凝膠光纖的設計和機理 ? 2023 Springer Nature

（a）植入皮膚下的水凝膠纖維示意圖，用于將光傳遞到外周神經，以及它們在動物運動過程中經歷的重復拉伸。

（b）通過水凝膠纖維對外周神經中表達視蛋白（例如ChR2和NpHR）的運動和感覺神經元的光遺傳學激活或抑制。

（c）水凝膠纖維示意圖，由陶瓷光學套圈中的短二氧化硅纖維、水凝膠芯、水凝膠包層和組織液中的水凝膠套組成。

（d）水凝膠芯材料粘附在短二氧化硅纖維上，實現套圈和纖維之間的抗疲勞連接。

（e）水凝膠袖帶包裹在目標神經周圍，實現神經和纖維之間的運動適應性連接。

（f）水凝膠芯材料包含比光波長小得多的納米晶疇，能夠最大限度地減少光吸收和散射。

（g）水凝膠核心材料和水凝膠包層材料在 473 nm和 589 nm波長處的歸一化吸光度。

（h）水凝膠芯材料表現出比水凝膠包層材料和組織液更高的折射率，能夠最大限度地減少芯-包層界面的光泄漏。

（i）水凝膠芯和包層材料的折射率。

（j-k）473 nm和589 nm處歸一化光強與光纖長度的關系圖。

（l）藍光通過變形的水凝膠纖維傳輸的代表性圖像。

圖2? 水凝膠光纖的機械堅固性和靈活性 ? 2023 Springer Nature

（a）水凝膠纖維在單循環拉伸試驗下的標稱應力與應變的代表圖。

（b）循環剝離試驗下水凝膠—SiO₂界面的裂紋擴展速率與能量釋放速率的關系。

（c）循環拉伸試驗下水凝膠纖維的應變與循環次數的關系圖。

（d）循環拉伸試驗中不同拉伸應力下水凝膠纖維的顯微圖像。

（e-f）水凝膠纖維在植入前和植入8周后，循環拉伸試驗下的應力與循環次數的關系。

（g）兩端分別連接光源和光電探測器的水凝膠光纖在不同拉伸應變下的圖像。

（h）水凝膠纖維的應變和歸一化光強度與循環次數的代表圖。

（i）二氧化硅、PDMS和水凝膠纖維在PBS中的歸一化光強度與拉伸應變的關系。

（j）水凝膠纖維與各種透明材料的衰減系數和楊氏模量的對比。

（k）無纖維的豬動脈、附著二氧化硅纖維的動脈和附著水凝膠纖維的動脈的圖像。

圖3? 通過水凝膠光纖可以刺激ChR2老鼠的坐骨神經 ? 2023 Springer Nature

（a）在Thy1:：ChR2 EYFP轉基因小鼠中用水凝膠纖維對后肢肌肉的光遺傳學刺激的示意圖。

（b）ChR2 EYFP表達的坐骨神經橫截面的共聚焦圖像。

（c）體內研究的設計和8周時間安排，包括植入、自主車輪跑步試驗（VWRT）、光遺傳刺激和組織收集。

（d）小鼠植入水凝膠光纖的示意圖和圖像。

（e）VWRT期間小鼠體內水凝膠纖維的機械應變隨時間變化的代表圖。

（f）植入前和植入1周后小鼠后肢在跑步輪上運動的運動棒圖。

（g）光遺傳刺激示意圖，由473 nm光源發出的光脈沖控制，并通過肌電圖進行記錄。

（h）植入后第2周和第6周記錄的肌電信號圖。

（i）入前和植入1周后接受和未接受光遺傳刺激時的肌電信號振幅圖。

圖4? 通過水凝膠光纖抑制NpHR老鼠的慢性疼痛 ? 2023 Springer Nature

（a）利用基因雜交方法產生TRPV1::NpHR-EYFP轉基因小鼠的示意圖。

（b）pHR-EYFP表達的DRG和坐骨神經橫截面共聚焦圖像。

（c）體內研究的設計和8周時間安排，包括植入、注射CFA和IFA誘導炎性疼痛、痛覺測試、光遺傳學抑制和組織收集。

（d）植入前（Baseline）、植入后第6天CFA注射前（Pre-CFA前）和植入后第7天CFA后（Post-CFA）同側后爪退縮的傷害感受閾值，通過von Frey試驗確認CFA誘導的炎癥。

（e）水凝膠光纖小鼠熱板試驗示意圖。

（f）通過熱板試驗評估 TRPV1::NpHR-EYFP和TRPV1::Cre小鼠第3周至第8周的熱痛覺敏感性時，同側和對側后爪在抑制過程中首次收縮的延遲時間。

（g）TRPV1::NpHR-EYFP小鼠在熱板試驗中首次同側后爪收縮的潛伏期隨植入后時間的變化。

（h）使用水凝膠光纖的小鼠在von Frey試驗中的示意圖。

（i）第3周至第8周，通過von Frey試驗評估TRPV1::NpHR-EYFP和TRPV1::Cre小鼠的機械異感在抑制時，同側和對側后爪收縮的痛覺閾值。

（j）TRPV1::NpHR-EYFP小鼠植入水凝膠光纖后，隨著時間的推移，在von Frey試驗中同側后爪收縮的痛覺閾值。

?五、【成果啟示】

總之，抗疲勞水凝膠展示了在身體運動過程中向外周神經傳導光的一種可能。在未來，作者還在探索其他的材料設計和功能。比如，將這種水凝膠光纖和電生理學的柔性電極結合，實現光學控制和電學測量。另外，這種光纖不僅可以將光傳送到特定神經進行光遺傳學刺激，還可以通過使用離子和神經遞質的熒光指示劑從神經中提取光進行光學記錄。這種水凝膠光纖和光遺傳學聯用的方法也可以用于外周神經以外的其他器官，比如心臟和腸道。柔性光纖潛在也有非常廣泛的臨床應用，比如治療感覺障礙，慢性疼痛和中風后運動恢復等。

原文詳情：Fatigue-resistant hydrogel optical fibers enable peripheral nerve optogenetics during locomotion (Nat. Methods 2023, 120, DOI: 10.1038/s41592-023-02020-9)

本文由大兵哥供稿。