Nature Methods：用于改变体感的抗疲劳可拉伸水凝胶

一、【导读】

光遗传学通过对特定细胞群的活动进行精确控制，改变了系统神经科学领域。虽然光遗传学已被常规应用于大脑回路研究，但将其应用于剧烈运动的外周神经仍具有挑战性。光传输装置由具有GPa模量的硅纤维等刚性材料组成，在反复变形和位移时可能会损坏模量在kPa到MPa范围内的软组织。此外，将刚性装置植入四肢可能会妨碍动物的自然行为。虽然通过微加工制造的带有微型发光二极管的柔性装置适用于刺激自由活动的啮齿类动物的外周神经和脊髓，但其复杂的设计给专业设施之外的实施带来了挑战。更值得注意的是，运动过程中的剧烈和反复变形可能会加速微加工设备内软硬界面的疲劳失效，导致神经调控的功效和可靠性随着时间的推移而降低。

 二、【成果掠影】

近日，美国麻省理工学院刘心悦博士、Polina Anikeeva教授、赵选贺教授以及马萨诸塞大学阿默斯特分校饶思圆博士等人开发了柔软且可拉伸的抗疲劳水凝胶光纤，可在动物持续运动时对其外周神经进行光遗传调控。通过在水凝胶中形成高分子纳米晶域，纤维的光学损耗低至1.07 dB cm^-1，杨氏模量为1.6 MPa，可拉伸200%，拉伸30000次后的疲劳强度为1.4 MPa。水凝胶纤维可将光传递到坐骨神经，在为期6周的自主车轮跑步试验中，光遗传激活Thy1::ChR2小鼠的后肢肌肉，同时经历反复变形。此外，这种纤维还能在炎症模型中对TRPV1::NpHR小鼠进行为期8周的疼痛超敏反应进行光学抑制。制备的水凝胶纤维为外周神经光遗传学提供了一种运动适应性强、坚固耐用的解决方案，有助于体感的研究。研究成果以题为“Fatigue-resistant hydrogel optical fibers enable peripheral nerve optogenetics during locomotion”发表在知名期刊Nature Methods上。

三、【核心创新点】

1、开发了一种柔软、可反复拉伸的水凝胶光纤；

2、将这种柔性光纤植入体内，不仅能够有效的把光信号传输到运动情况复杂的外周神经，同时不影响实验动物持续的正常运动；

3、在实验动物正常自然行为学的状态下，通过光遗传学实现了对外周神经刺激和抑制。

四、【数据概览】

图1  水凝胶光纤的设计和机理 © 2023 Springer Nature

（a）植入皮肤下的水凝胶纤维示意图，用于将光传递到外周神经，以及它们在动物运动过程中经历的重复拉伸。

（b）通过水凝胶纤维对外周神经中表达视蛋白（例如ChR2和NpHR）的运动和感觉神经元的光遗传学激活或抑制。

（c）水凝胶纤维示意图，由陶瓷光学套圈中的短二氧化硅纤维、水凝胶芯、水凝胶包层和组织液中的水凝胶套组成。

（d）水凝胶芯材料粘附在短二氧化硅纤维上，实现套圈和纤维之间的抗疲劳连接。

（e）水凝胶袖带包裹在目标神经周围，实现神经和纤维之间的运动适应性连接。

（f）水凝胶芯材料包含比光波长小得多的纳米晶畴，能够最大限度地减少光吸收和散射。

（g）水凝胶核心材料和水凝胶包层材料在 473 nm和 589 nm波长处的归一化吸光度。

（h）水凝胶芯材料表现出比水凝胶包层材料和组织液更高的折射率，能够最大限度地减少芯-包层界面的光泄漏。

（i）水凝胶芯和包层材料的折射率。

（j-k）473 nm和589 nm处归一化光强与光纤长度的关系图。

（l）蓝光通过变形的水凝胶纤维传输的代表性图像。

图2  水凝胶光纤的机械坚固性和灵活性 © 2023 Springer Nature

（a）水凝胶纤维在单循环拉伸试验下的标称应力与应变的代表图。

（b）循环剥离试验下水凝胶—SiO₂界面的裂纹扩展速率与能量释放速率的关系。

（c）循环拉伸试验下水凝胶纤维的应变与循环次数的关系图。

（d）循环拉伸试验中不同拉伸应力下水凝胶纤维的显微图像。

（e-f）水凝胶纤维在植入前和植入8周后，循环拉伸试验下的应力与循环次数的关系。

（g）两端分别连接光源和光电探测器的水凝胶光纤在不同拉伸应变下的图像。

（h）水凝胶纤维的应变和归一化光强度与循环次数的代表图。

（i）二氧化硅、PDMS和水凝胶纤维在PBS中的归一化光强度与拉伸应变的关系。

（j）水凝胶纤维与各种透明材料的衰减系数和杨氏模量的对比。

（k）无纤维的猪动脉、附着二氧化硅纤维的动脉和附着水凝胶纤维的动脉的图像。

图3  通过水凝胶光纤可以刺激ChR2老鼠的坐骨神经 © 2023 Springer Nature

（a）在Thy1:：ChR2 EYFP转基因小鼠中用水凝胶纤维对后肢肌肉的光遗传学刺激的示意图。

（b）ChR2 EYFP表达的坐骨神经横截面的共聚焦图像。

（c）体内研究的设计和8周时间安排，包括植入、自主车轮跑步试验（VWRT）、光遗传刺激和组织收集。

（d）小鼠植入水凝胶光纤的示意图和图像。

（e）VWRT期间小鼠体内水凝胶纤维的机械应变随时间变化的代表图。

（f）植入前和植入1周后小鼠后肢在跑步轮上运动的运动棒图。

（g）光遗传刺激示意图，由473 nm光源发出的光脉冲控制，并通过肌电图进行记录。

（h）植入后第2周和第6周记录的肌电信号图。

（i）入前和植入1周后接受和未接受光遗传刺激时的肌电信号振幅图。

图4  通过水凝胶光纤抑制NpHR老鼠的慢性疼痛 © 2023 Springer Nature

（a）利用基因杂交方法产生TRPV1::NpHR-EYFP转基因小鼠的示意图。

（b）pHR-EYFP表达的DRG和坐骨神经横截面共聚焦图像。

（c）体内研究的设计和8周时间安排，包括植入、注射CFA和IFA诱导炎性疼痛、痛觉测试、光遗传学抑制和组织收集。

（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）同侧后爪退缩的伤害感受阈值，通过von Frey试验确认CFA诱导的炎症。

（e）水凝胶光纤小鼠热板试验示意图。

（f）通过热板试验评估 TRPV1::NpHR-EYFP和TRPV1::Cre小鼠第3周至第8周的热痛觉敏感性时，同侧和对侧后爪在抑制过程中首次收缩的延迟时间。

（g）TRPV1::NpHR-EYFP小鼠在热板试验中首次同侧后爪收缩的潜伏期随植入后时间的变化。

（h）使用水凝胶光纤的小鼠在von Frey试验中的示意图。

（i）第3周至第8周，通过von Frey试验评估TRPV1::NpHR-EYFP和TRPV1::Cre小鼠的机械异感在抑制时，同侧和对侧后爪收缩的痛觉阈值。

（j）TRPV1::NpHR-EYFP小鼠植入水凝胶光纤后，随着时间的推移，在von Frey试验中同侧后爪收缩的痛觉阈值。

 五、【成果启示】

总之，抗疲劳水凝胶展示了在身体运动过程中向外周神经传导光的一种可能。在未来，作者还在探索其他的材料设计和功能。比如，将这种水凝胶光纤和电生理学的柔性电极结合，实现光学控制和电学测量。另外，这种光纤不仅可以将光传送到特定神经进行光遗传学刺激，还可以通过使用离子和神经递质的荧光指示剂从神经中提取光进行光学记录。这种水凝胶光纤和光遗传学联用的方法也可以用于外周神经以外的其他器官，比如心脏和肠道。柔性光纤潜在也有非常广泛的临床应用，比如治疗感觉障碍，慢性疼痛和中风后运动恢复等。

原文详情：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。