集成微流控和荧光平台用于体内神经药理学研究

神经病学 生物工程 生命科学 医学
微流控 荧光 神经药理学 体内研究 神经递质 药物递送 钙指示剂

学术背景

神经科学研究在过去十年中取得了显著进展，尤其是神经回路功能解析的神经技术和遗传工具。然而，与这些技术相比，神经药理学方法的发展相对滞后。理解神经活性化合物的精确药理学机制对于推动基础神经生物学和神经药理学研究至关重要，同时也有助于开发更有效的神经和精神疾病治疗方法。然而，将大规模神经网络活动评估工具与局部药物递送相结合仍然是一个重大挑战。为了解决这一问题，研究者们开发了一种结合微流控和荧光技术的双功能平台，能够在小鼠大脑中同时进行颅内药物递送和神经动态记录。

论文来源

这篇论文由Sean C. Piantadosi、Min-Kyu Lee、Mingzheng Wu等作者共同撰写，他们分别来自美国华盛顿大学、西北大学、Neurolux公司等机构。论文于2025年5月21日发表在《Neuron》期刊上，标题为《An Integrated Microfluidic and Fluorescence Platform for Probing In Vivo Neuropharmacology》。

研究流程

1. 设备设计与制造

研究者们设计并制造了一种集成了微流控和荧光技术的设备。该设备包括一个无线、无电池的微型流体系统和一个光学探头，能够在空间和时间上限制药物递送的同时，使用基因编码的钙指示剂（GECIs）、神经递质传感器和神经肽传感器记录神经活动依赖的荧光信号。设备的核心是一个微流控模块，重量小于0.15克，尺寸为10×13毫米，通过磁感应耦合在13.56 MHz频率下无线供电。

2. 微流控系统与光学探头的集成

微流控系统由两个微泵组成，每个微泵连接到一个独立的微通道，微通道嵌入在一个柔软的聚二甲基硅氧烷（PDMS）探针中。探针与光学纤维结合，能够实时记录药物递送后的神经活动变化。设备的流体出口位于探针底部，确保药物均匀分布在光学纤维下方。此外，设备还可以配置多个光学纤维，分别连接到不同的药物储液器，以在不同脑区进行药物和光刺激。

3. 药物递送与荧光检测的实验验证

在体外实验中，研究者们使用0.6%琼脂糖凝胶模拟脑组织，验证了设备的药物递送和荧光检测功能。实验结果表明，药物在探针下方的扩散过程大约在25秒内完成，平均药物递送流速为1.5微升/分钟。随后，研究者们在麻醉小鼠的次级运动皮层（M2）中植入设备，验证了其在体内的药物递送和荧光检测能力。实验结果显示，荧光素异硫氰酸酯（FITC）的递送能够显著增加荧光信号，而人工脑脊液（ACSF）则没有明显变化。

4. 行为与神经活动的双向调控

在清醒小鼠中，研究者们使用该设备进行了药物递送和神经活动记录。实验表明，AMPA受体激动剂AMPA的递送能够显著增加M2神经元的钙信号，并引发小鼠的旋转行为。随后，GABAA受体激动剂Muscimol的递送能够迅速降低M2神经元的活性，并恢复正常行为。这些结果表明，该设备能够在单个动物中实现药物递送对神经活动和行为的双向调控。

5. 光刺激与神经递质传感的结合

研究者们进一步将该设备与光刺激技术结合，验证了其在神经递质传感中的应用。实验表明，在去甲肾上腺素能系统中，光刺激能够显著增加GrabNE2m传感器的荧光信号，而α2-肾上腺素受体拮抗剂Yohimbine的递送则能够抑制这一效应。这些结果表明，该设备能够结合局部药理学、投射特异性光刺激和神经递质传感，为研究神经递质系统的内源性功能提供了新的工具。

6. 神经调质系统的相互作用研究

最后，研究者们使用该设备研究了多巴胺（DA）和κ-阿片受体（KOR）系统在伏隔核（NAc）中的相互作用。实验表明，DA的递送能够显著增加GrabDA3m传感器的荧光信号，同时降低Klight1.3b传感器的荧光信号。这些结果表明，DA浓度的增加能够减少强啡肽的释放，揭示了DA和KOR系统之间的动态相互作用。

主要结果

  1. 设备设计与制造：成功开发了一种无线、无电池的微流控-荧光设备，能够在空间和时间上限制药物递送的同时记录神经活动依赖的荧光信号。
  2. 药物递送与荧光检测：体外和体内实验验证了设备的药物递送和荧光检测功能，药物在探针下方的扩散过程大约在25秒内完成。
  3. 行为与神经活动的双向调控：AMPA和Muscimol的递送能够显著调控M2神经元的活性和小鼠的行为。
  4. 光刺激与神经递质传感：光刺激能够显著增加GrabNE2m传感器的荧光信号，而Yohimbine的递送则能够抑制这一效应。
  5. 神经调质系统的相互作用：DA的递送能够显著增加GrabDA3m传感器的荧光信号，同时降低Klight1.3b传感器的荧光信号，揭示了DA和KOR系统之间的动态相互作用。

结论

该研究开发了一种集成了微流控和荧光技术的设备，能够在空间和时间上限制药物递送的同时记录神经活动依赖的荧光信号。该设备能够结合局部药理学、投射特异性光刺激和神经递质传感，为研究神经递质系统的内源性功能提供了新的工具。此外，该设备还能够揭示神经调质系统之间的动态相互作用，为神经药理学研究提供了新的视角。

研究亮点

  1. 设备设计创新：开发了一种无线、无电池的微流控-荧光设备，能够在空间和时间上限制药物递送的同时记录神经活动依赖的荧光信号。
  2. 多功能的实验平台：该设备能够结合局部药理学、投射特异性光刺激和神经递质传感，为研究神经递质系统的内源性功能提供了新的工具。
  3. 神经调质系统的相互作用研究：揭示了DA和KOR系统之间的动态相互作用，为神经药理学研究提供了新的视角。

研究价值

该研究开发的设备为神经药理学研究提供了新的工具，能够结合局部药理学、投射特异性光刺激和神经递质传感，揭示神经递质系统的内源性功能。此外，该设备还能够揭示神经调质系统之间的动态相互作用，为神经药理学研究提供了新的视角。该研究具有重要的科学价值和应用价值，有望推动神经药理学研究的发展。