Ouro nanorod assistida estimulação óptica de Neuronal Cells

Estudos recentes têm demonstrado que o aquecimento transitória associada com a absorção de luz infravermelha por água (comprimento de onda> 1400 nm) pode ser utilizado para induzir potenciais de acção em tecidos nervosos ¹ e transientes de cálcio intracelular em cardiomiócitos ^2. A utilização de luz infravermelha tem suscitado grande interesse para aplicações em próteses neurais, devido ao potencial de resolução espacial mais fina, a falta de um contacto directo com o tecido, a minimização de artefactos de estimulação, e remoção da necessidade de modificar geneticamente as células antes da estimulação ( conforme exigido no optogenética) ^1. Apesar de todas estas vantagens, os modelos térmicos desenvolvidos recentemente sugerido que os tecidos / células-alvo pode ser afectada por efeitos cumulativos de aquecimento, quando vários sítios de estímulo e / ou elevadas taxas de repetição são utilizados ^3,4.

Em resposta a estes desafios, os pesquisadores têm reconhecido o potencial de usar unidade de absorvância extrínsecabros para a estimulação do nervo para produzir efeitos de aquecimento mais localizadas no tecido. Huang et al. Demonstrou esse princípio usando nanopartículas de ferrita superparamagnéticos para ativar remotamente os canais TRPV1 sensíveis à temperatura em células HEK 293 com um campo magnético ⁵ de rádio-freqüência. Embora esta técnica pode permitir a penetração mais profunda (campos magnéticos relativamente interagem fracamente com o tecido), apenas as respostas foram registadas ao longo de períodos de segundos, em vez de as durações milissegundo necessários em dispositivos biônicos ^5. Da mesma forma, Farah et al. Estimulação elétrica demonstrada de neurônios corticais de ratos com micro-partículas negras em vitro. Eles mostraram precisão em nível celular em estimulação usando durações de pulso na ordem de centenas de ms e energias na faixa de μJ, potencialmente permitindo que as taxas de repetência mais rápidos ^6.

A utilização de absorventes extrínsecos também foi aplicado para induziralterações morfológicas in vitro. Ciofani et al. Mostrou um aumento de ~ 40% no crescimento de células neuronais usando nanotubos de nitreto de boro piezoelétricos excitados por ultra-som ^7. Da mesma forma, nanopartículas de óxido de ferro endocitose nas células PC12 têm sido relatados para aumentar a diferenciação de neurites de uma forma dependente da dose, devido à activação de moléculas de adesão celular, com o óxido de ferro ^8.

Recentemente, o interesse em absorvedores extrínsecos para ajudar a estimulação neural também centrou-se na utilização de nanopartículas de ouro (Au NPS). Au NPs têm a capacidade de absorver a luz laser de forma eficiente no pico plasmónico e dissipar para o ambiente circundante em forma de calor ^9. Entre todas as formas de partículas disponíveis, a absorção óptica do nanorods ouro (Au NRs) corresponde convenientemente a janela terapêutica de tecidos biológicos (infravermelho próximo – NIR, comprimento de onda entre 750-1,400 nm) ^10. Além disso, no context de estimulação neural, o uso de Au NRs proporciona biocompatibilidade relativamente favoráveis ​​e uma grande variedade de opções de funcionalização de superfície ^11. Estudos recentes têm mostrado que um efeito estimulador sobre a diferenciação pode ser induzida após exposições a laser contínua de Au NRs NG 108-15 em células neuronais ^12. Da mesma forma, os transientes de cálcio intracelular foram registrados em células neuronais cultivadas com Au NRs após a irradiação com laser modulado com freqüências variáveis ​​e pulso comprimentos ^13. Despolarização da membrana celular também foi registada após iluminação por laser NIR de Au NRs em culturas primárias de neurónios do gânglio da espiral ^14. A primeira aplicação in vivo com irradiado Au NRs foi demonstrado recentemente. Eom e colegas de trabalho expostos Au NRs em seu pico plasmonic e registrou um aumento de seis vezes na amplitude do potencial de ação do nervo composto (CNaPS) e uma diminuição de três vezes no limiar de estimulação no nervo ciático de ratos. O enresposta hanced foi atribuído a efeitos de aquecimento local que resultam da excitação do pico plasmónico NR ^15.

No presente trabalho, protocolos para investigar os efeitos da estimulação do laser em NG108-15 células neuronais cultivadas com Au NRs são especificados. Esses métodos fornecem um simples, mas poderoso, caminho para irradiar populações de células in vitro utilizando técnicas de biologia padrão e materiais. O protocolo baseia-se em um diodo laser acoplada a fibra (LD) que permite um funcionamento seguro e repetitivo alinhamento. As Au NR preparação de amostras e métodos de irradiação a laser pode ser alargada a diferentes formas de partículas e culturas de células neuronais, proporcionando que os protocolos de síntese e de cultura específicos são conhecidos, respectivamente.