光遺傳學技術憑借其對神經元活動的高精度調控能力，已成為現代神經科學研究的重要工具。傳統光遺傳學實驗需要進行兩次獨立手術：注射攜帶光敏感蛋白基因的病毒載體，待1-2周基因表達后再進行第二次手術植入光刺激探針。這種雙手術方案不僅增加實驗復雜度，還會加重組織損傷和炎癥反應。
近期，紐約大學阿布扎比分校的研究團隊開發了一種3D打印的多模態光遺傳神經探針（MIO），將光遺傳學刺激與微流控藥物/病毒遞送功能集成于單一設備。該研究成功解決了傳統光遺傳學研究中需多次手術的難題，為神經科學領域提供了一種高效、可定制且微創的解決方案。以題為“3D-printed optogenetic neural probe integrated with microfluidic tube for opsin/drug delivery"發表在國際期刊《Scientific Reports》上。MIO探針的核心部件包括用于光刺激的微型LED（μLED）和直徑為150微米的微流控管，可實現病毒載體或藥物的精準遞送。這一設計突破將傳統的病毒注射與探針植入雙手術流程優化為單次操作，顯著簡化了實驗步驟。研究人員在小鼠丘腦底核（STN）——運動調控的關鍵腦區——成功實施了探針植入，通過單次手術同步完成了病毒載體注射與設備固定（圖1）。圖1. (a) 傳統流程包括立體定向注射病毒載體以在目標神經元中表達光敏感視蛋白，隨后通過手術植入光學探針以傳遞受控光脈沖進行神經元調制。(b) 結合微流控管進行病毒傳遞的光遺傳學設備植入的集成流程。它包括將設備立體定向放置到目標腦區，其中微流控管傳遞病毒載體以在特定神經元中表達光敏感視蛋白，隨后同時或后續激活光學探針以傳遞受控光脈沖進行精確神經元調制。在性能表征方面，研究團隊對MIO探針進行了系統性測試（圖2）。電學與光學測試數據表明（圖3），該設備在3.0V工作電壓下（對應電流約12mA）可穩定輸出藍光刺激，其發光峰值波長（465nm）與ChR2光敏蛋白的響應光譜高度匹配，光強超過激活閾值（1mW/mm2）。圖2. (a) 集成微流控通道的所提出光電極設備整體系統視圖，用于視蛋白/藥物遞送。(b) 制備MIO裝置的圖像。該設備在1mA電流驅動下發出藍光。主圖顯示照明的光電極；右側插圖分別顯示寬度(約270µm)和厚度(約150µm)。圖3. (a) μLED的電流-電壓曲線（n=5）。(b) 器件在不同輸入電流下測得的光強（n=5）。(c) 本工作所用μLED的實測相對光強（藍色曲線）與ChR2響應光譜（黑色曲線）對比。熱驗證實驗表明，在模擬體內環境的實驗條件下，即使采用較高刺激頻率和脈沖寬度，探針的溫度升高也能嚴格控制在2°C的安全閾值內。這一結果證實了該探針具備優異的熱管理能力，可有效避免對周圍神經組織造成熱損傷，滿足長期在體神經調控對物理性能的穩定性要求。
圖4.（a）熱驗證測試裝置。（b）在輸入電流為5毫安時，不同刺激速率和脈沖寬度下的測量溫度變化（ΔT）。虛線ΔT=2℃表示安全閾值，超過該閾值可能會對神經組織造成熱損傷。
研究通過為期七周的行為學實驗，系統比較了植入MIO探針的實驗組與采用傳統光纖探針（需兩次手術）的對照組（圖5）。數據顯示，光遺傳刺激均能顯著提升兩組小鼠的運動距離和速度），證明兩種設備均可有效激活STN神經元并調控運動行為。值得注意的是，MIO探針組在整個實驗周期內表現出更穩定、一致的行為學響應，提示單次手術的集成植入策略可能賦予設備更優的長期穩定性與調控效果。
圖5. 光纖電極與MIO探針在小鼠運動活動監測中的應用對比。通過mCherry熒光標記的免疫組織化學分析，進一步驗證了MIO探針的生物相容性與功能有效性。研究者在STN區域觀察到明顯的mCherry表達，表明MIO探針成功實現了病毒載體的靶向遞送，并引導ChR2蛋白在目標神經元中的高效表達。這一結果從分子層面證實了單次手術集成方案的可行性，為設備在長期神經調控中的應用提供了關鍵證據（圖6）。圖6. STN區域植入軌跡附近mCherry表達的代表性水平切片。
與對照組相比，MIO探針植入區域周圍的神經元密度顯著更高。通過NeuN染色定量分析顯示，在距離植入點50-200μm的各個區域中，MIO組均表現出更好的神經元保存效果（圖7）。星形膠質細胞標記物GFAP的免疫組化分析表明，MIO組植入點周圍的星形膠質細胞活化水平顯著降低（圖8）。同時，ED1標記的活化小膠質細胞數量也明顯減少，證實了炎癥反應的有效控制（圖9）。
這一系列組織學證據有力證實了單次手術策略的獨特優勢：通過避免重復的組織創傷，顯著減輕了由植入物引起的機械損傷和繼發性炎癥反應。這種保護作用不僅體現在神經元數量的保存上，還反映在膠質瘢痕形成的減少，為設備的長期功能穩定性提供了堅實的組織學基礎。圖7. STN區域植入軌跡附近NeuN染色的代表性水平腦切片。圖8. STN區域植入軌跡附近GFAP染色的代表性水平腦切片。圖9. STN區域植入軌跡附近ED1染色的代表性水平腦切片。為將制備完成的光電極與連接器實現電氣互聯，需要把導線可靠地固定到定制外殼內部預設的電連接器引腳上（圖10）。在此過程中，所涉及的所有定制化外殼組件，均采用摩方精密的面投影微立體光刻（PμSL）技術（microArch® S240，精度：10μm）進行制造。圖10. 設備的制造與組裝流程，分為三個階段：(i) 3D打印流程（a-d），(ii) 導電組件與微流控器件的制造與組裝（e-k），以及(iii) 封裝與總裝流程（l-s）。總結：這項研究成功開發了一種基于3D打印技術的多功能光遺傳學探針，它將光刺激與液體遞送功能整合，實現了單次手術完成病毒注射和設備植入，顯著降低了手術創傷和免疫反應，并提升了實驗的效率和可靠性。該技術的出現，不僅為基礎神經科學研究提供了一個更強大、更便捷的工具，也為未來開發用于臨床治療的神經調控裝置等開辟了新的道路。隨著材料科學和微納制造技術的進一步發展，這類集成化、可定制的神經接口設備有望在未來的神經疾病治療和人機交互等領域發揮越來越重要的作用。
更新時間：2025-11-24
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