Oro nanorod asistida estimulación óptica de las células neuronales

Estudios recientes han demostrado que el calentamiento transitorio asociado con la absorción de luz infrarroja por el agua (longitud de onda> 1400 nm) se puede utilizar para inducir potenciales de acción en el tejido nervioso ¹ y transitorios de calcio intracelular en cardiomiocitos ^2. El uso de luz infrarroja ha planteado un gran interés para aplicaciones en prótesis neurales, debido al potencial de resolución espacial más fina, la falta de contacto directo con el tejido, la reducción al mínimo de artefactos de estimulación, y la eliminación de la necesidad de modificar genéticamente las células antes de la estimulación ( como se requiere en la optogenética) ^1. A pesar de todos estos beneficios, modelos térmicos desarrollados recientemente sugirieron que los tejidos / células diana pueden verse afectados por efectos de calentamiento y acumulativos, cuando se utilizan múltiples sitios de estímulo y / o altas tasas de repetición ^3,4.

En respuesta a estos desafíos, los investigadores han reconocido el potencial de utilizar ABSOR extrínsecabros de la estimulación del nervio para producir efectos de calentamiento más localizadas en el tejido. Huang et al. Demostró este principio mediante el uso de nanopartículas de ferrita superparamagnéticas para activar remotamente los canales TRPV1 sensibles a la temperatura en las células HEK 293 con una radio-frecuencia del campo magnético ^5. Aunque esta técnica puede permitir una penetración más profunda (campos magnéticos interactúan relativamente débilmente con el tejido), las respuestas sólo se registraron durante períodos de segundos, en lugar de las duraciones de milisegundos requeridos en los dispositivos biónicos ^5. Del mismo modo, Farah et al. Estimulación eléctrica demostrada de neuronas corticales de rata con micro-partículas negras en vitro. Mostraron precisión a nivel celular en la estimulación utilizando duraciones de pulso del orden de cientos de microsegundo y energías en el rango de mu J, permitiendo potencialmente las tasas de repetición más rápidas ^6.

El uso de absorbentes de extrínsecos también se ha aplicado para inducircambios morfológicos in vitro. Ciofani et al. Mostraron un aumento de ~ 40% en el crecimiento externo celular neuronal utilizando piezoeléctricos nitruro de boro nanotubos excitados por ultrasonido ^7. Del mismo modo, se ha informado de nanopartículas de óxido de hierro endocitosis en las células PC12 para mejorar la diferenciación de neuritas en una manera dependiente de la dosis, debido a la activación de moléculas de adhesión celular con el óxido de hierro ^8.

Recientemente, el interés en absorbedores extrínsecos para ayudar a la estimulación neural también se ha centrado en el uso de nanopartículas de oro (Au NPs). Au NPs tienen la capacidad de absorber de manera eficiente la luz láser en el pico plasmónica y para disipar en el ambiente circundante en forma de calor ^9. Entre todas las formas de las partículas disponibles, la absorción óptica de nanorods oro (Au NRS) convenientemente coincide con la ventana terapéutica de tejidos biológicos (infrarrojo cercano – NIR, longitud de onda entre 750-1,400 nm) ^10. Además, en el context de estimulación neural, el uso de Au NR proporciona biocompatibilidad relativamente favorable y una amplia gama de opciones de funcionalización de la superficie ^11. Estudios recientes han demostrado que un efecto estimulador en la diferenciación puede ser inducida después de exposiciones láser continuo de Au NR en NG108-15 células neuronales ^12. Del mismo modo, los transitorios de calcio intracelulares se registraron en las células neuronales cultivadas con Au NR después de la irradiación láser modulada con frecuencias variables y longitudes de pulso ^13. Despolarización de la membrana celular también se registró después de NIR láser de iluminación de Au NR en cultivos primarios de neuronas del ganglio espiral ^14. La primera aplicación in vivo con irradiado Au NR se ha demostrado recientemente. Eom y compañeros de trabajo expuestos Au rupias en su pico plasmónica y registraron un aumento de seis veces en la amplitud de los potenciales de acción del nervio compuesto (CNaPS) y una disminución de tres veces en el umbral de estimulación en ratas nervios ciáticos. Los cuartosrespuesta hanced se atribuyó a los efectos de calentamiento locales que resultan de la excitación del pico plasmónica NR ^15.

En el presente trabajo, se especifican los protocolos para la investigación de los efectos de la estimulación con láser en NG108-15 células neuronales cultivadas con Au rupias. Estos métodos proporcionan una simple, pero potente, forma de irradiar poblaciones celulares in vitro utilizando técnicas y materiales biológicos estándar. El protocolo se basa en un diodo láser de fibra acoplada (LD) que permite un funcionamiento seguro y la alineación repetible. La preparación de la muestra y los métodos de irradiación láser Au NR se pueden ampliar a diferentes formas de partículas y cultivos de células neuronales, siempre que los protocolos de síntesis y cultura específicas son conocidas, respectivamente.