Oro nanorod-assistito stimolazione ottica di cellule neuronali

Recenti studi hanno dimostrato che il riscaldamento transitoria associata con l'assorbimento di luce infrarossa da acqua (lunghezza d'onda> 1.400 nm) può essere utilizzato per indurre potenziali di azione nel tessuto nervoso ¹ e transienti di calcio intracellulare in cardiomiociti ^2. L'uso di luce infrarossa ha suscitato notevole interesse per applicazioni in protesi neurali, a causa della potenziale risoluzione spaziale più fine, di un contatto diretto con il tessuto, la minimizzazione degli artefatti di stimolazione, e la rimozione della necessità di modificare geneticamente le cellule prima della stimolazione ( come richiesto in optogenetics) ^1. Nonostante tutti questi vantaggi, modelli termici recentemente sviluppati suggerito che i destinatari dei tessuti / cellule possono essere influenzati da effetti di riscaldamento cumulativi, quando più siti di stimolo e / o alti tassi di ripetizione sono utilizzati ^3,4.

In risposta a queste sfide, i ricercatori hanno riconosciuto il potenziale di utilizzare absor estrinsecabri per la stimolazione del nervo a produrre effetti di riscaldamento più localizzati nel tessuto. Huang et al. Ha dimostrato questo principio usando nanoparticelle di ferrite superparamagnetiche per attivare da remoto i canali TRPV1 sensibili alla temperatura in HEK 293 cellule con una radio-frequenza di campo magnetico ^5. Sebbene questa tecnica può consentire una penetrazione più profonda (campi magnetici relativamente interagiscono debolmente con tessuto), le risposte sono state registrate solo su periodi di secondi, piuttosto che le durate di millisecondi richiesti dispositivi bionici ^5. Allo stesso modo, Farah et al. Stimolazione elettrica dimostrato di neuroni corticali di ratto con neri micro particelle in vitro. Hanno mostrato di precisione a livello di cella nella stimolazione con durate di impulso dell'ordine di centinaia di ms ed energie nella gamma di μJ, potenzialmente permette tassi di ripetizione più veloce ^6.

L'uso di assorbitori estrinseci è stata applicata anche per indurrecambiamenti morfologici in vitro. Ciofani et al. Hanno evidenziato un aumento del ~ 40% nella crescita neuronale utilizzando piezoelettrici boro nitruro nanotubi eccitato da ultrasuoni ^7. Analogamente, ferro endocitosi nanoparticelle di ossido in cellule PC12 sono stati riportati per migliorare la differenziazione dei neuriti in modo dose-dipendente, causa l'attivazione di molecole di adesione delle cellule con l'ossido di ferro ^8.

Recentemente, l'interesse assorbitori estrinseci per assistere stimolazione neurale è anche concentrato sull'uso di nanoparticelle di oro (Au NP). Au NP hanno la capacità di assorbire efficacemente luce laser al picco plasmonica e dissiparlo nell'ambiente circostante nella forma di calore ^9. Tra tutte le forme di particelle disponibili, l'assorbimento ottico di nanotubi d'oro (Au NR) corrisponde comodamente la finestra terapeutica di tessuti biologici (vicino infrarosso – NIR, lunghezza d'onda tra 750-1,400 nm) ^10. Inoltre, nel context di stimolazione neurale, l'uso di Au NR offre biocompatibilità relativamente favorevole e una vasta gamma di opzioni di funzionalizzazione superficiale ^11. Recenti studi hanno dimostrato che un effetto stimolante sulla differenziazione può essere indotta dopo esposizione laser continue di Au NR in NG108-15 cellule neuronali ^12. Allo stesso modo, transienti intracellulari di calcio sono stati registrati in cellule neuronali coltivate con Au NRs dopo irradiazione laser modulato con frequenze variabili e lunghezze di impulso ^13. Membrana cellulare depolarizzazione si è registrato anche dopo l'illuminazione laser NIR di Au NRs in colture primarie di neuroni gangliari spirale ^14. La prima applicazione in vivo con irradiato Au NR è stata dimostrata solo di recente. EOM e collaboratori esposti Au NRs al loro picco plasmonica e hanno registrato un aumento di sei volte in ampiezza dei potenziali d'azione del nervo composto (CNaPS) e una diminuzione di tre volte nella soglia di stimolazione in ratti nervi sciatico. L'enrisposta ampliate è stato attribuito a effetti di riscaldamento locali derivanti dalla eccitazione del NR picco plasmonica ^15.

Nel presente lavoro, vengono specificati protocolli per studiare gli effetti della stimolazione laser a NG108-15 cellule neuronali coltivate con Au NR. Questi metodi forniscono una semplice, ma potente, modo di irradiare popolazioni cellulari in vitro usando tecniche biologiche standard e materiali. Il protocollo si basa su un diodo laser accoppiato in fibra (LD) che permette un funzionamento sicuro e ripetibile allineamento. La preparazione del campione e laser metodi di irraggiamento Au NR possono essere ulteriormente estesi a diverse forme di particelle e colture cellulari neuronali, a condizione che si conoscono, rispettivamente, i protocolli di sintesi e di cultura specifica.