体内神経薬理学を探るための統合マイクロ流体および蛍光プラットフォーム

2025-05-02 Fri
学術的背景神経科学研究は過去10年間で著しい進展を遂げ、特に神経回路機能の解析における神経技術と遺伝子ツールの開発が進んでいます。しかし、これらの技術に比べて神経薬理学的手法の発展は遅れています。神経活性化合物の正確な薬理学的メカニズムを理解することは、基礎神経生物学と神経薬理学の研究を推進するために重要であり、神経および精神疾患のより効果的な治療法の開発にも役立ちます。しかし、大規模な神経ネットワークの活動を評価するツールと局所的な薬物送達を組み合わせることは依然として大きな課題です。この問題を解決するために、研究者たちはマイクロ流体と蛍光技術を統合したデュアル機能プラットフォームを開発し、マウスの脳内で同時に頭蓋内薬物送達と神経動態の記録を可能にしました。
論文の出典この論文は、Sean C. Piantadosi、Min-Kyu Lee、Mingzheng Wuらによって共同執筆され、彼らは米国ワシントン大学、ノースウェスタン大学、Neurolux社などの機関に所属しています。論文は2025年5月21日に『Neuron』誌に掲載され、タイトルは『An Integrated Microfluidic and Fluorescence Platform for Probing In Vivo Neuropharmacology』です。
研究の流れ1. デバイスの設計と製造研究者たちは、マイクロ流体と蛍光技術を統合したデバイスを設計・製造しました。このデバイスは、無線、バッテリーフリーのマイクロ流体システムと光学プローブを含み、空間的および時間的に薬物送達を制限しながら、遺伝子コード化されたカルシウムインジケーター（GECIs）、神経伝達物質センサー、およびニューロペプチドセンサーを使用して神経活動依存の蛍光信号を記録できます。デバイスのコアは、重量が0.15グラム未満、サイズが10×13ミリメートルのマイクロ流体モジュールで、13.56 MHzの周波数で磁気誘導結合により無線給電されます。
2. マイクロ流体システムと光学プローブの統合マイクロ流体システムは、2つのマイクロポンプで構成され、各マイクロポンプは独立したマイクロチャンネルに接続されています。マイクロチャンネルは、柔軟なポリジメチルシロキサン（PDMS）プローブに埋め込まれており、プローブは光ファイバーと結合されています。これにより、薬物送達後の神経活動の変化をリアルタイムで記録できます。デバイスの流体出口はプローブの底部に位置し、薬物が光ファイバーの下に均等に分布することを保証します。さらに、デバイスは複数の光ファイバーを配置でき、それぞれが異なる薬物リザーバーに接続されており、異なる脳領域で薬物と光刺激を行うことができます。
3. 薬物送達と蛍光検出の実験的検証体外実験では、研究者たちは0.6%のアガロースゲルを使用して脳組織を模倣し、デバイスの薬物送達と蛍光検出機能を検証しました。実験結果は、薬物がプローブの下に拡散する過程が約25秒で完了し、平均薬物送達流速が1.5マイクロリットル/分であることを示しました。その後、研究者たちは麻酔下のマウスの二次運動野（M2）にデバイスを埋め込み、体内での薬物送達と蛍光検出能力を検証しました。実験結果は、フルオレセインイソチオシアネート（FITC）の送達が蛍光信号を有意に増加させる一方、人工脳脊髄液（ACSF）では有意な変化がなかったことを示しました。
4. 行動と神経活動の双方向制御覚醒したマウスで、研究者たちはこのデバイスを使用して薬物送達と神経活動の記録を行いました。実験結果は、AMPA受容体作動薬であるAMPAの送達がM2ニューロンのカルシウム信号を有意に増加させ、マウスの回転行動を引き起こすことを示しました。その後、GABAA受容体作動薬であるMuscimolの送達がM2ニューロンの活性を迅速に低下させ、正常な行動を回復させることが示されました。これらの結果は、このデバイスが単一の動物で薬物送達による神経活動と行動の双方向制御を実現できることを示しています。
5. 光刺激と神経伝達物質センシングの結合研究者たちはさらに、このデバイスを光刺激技術と組み合わせ、神経伝達物質センシングにおける応用を検証しました。実験結果は、ノルアドレナリン系において、光刺激がGrabNE2mセンサーの蛍光信号を有意に増加させる一方、α2-アドレナリン受容体拮抗薬であるYohimbineの送達がこの効果を抑制することを示しました。これらの結果は、このデバイスが局所薬理学、投射特異的光刺激、および神経伝達物質センシングを組み合わせ、神経伝達物質系の内因性機能を研究するための新しいツールを提供できることを示しています。
6. 神経調節系の相互作用の研究最後に、研究者たちはこのデバイスを使用して、側坐核（NAc）におけるドーパミン（DA）とκ-オピオイド受容体（KOR）系の相互作用を研究しました。実験結果は、DAの送達がGrabDA3mセンサーの蛍光信号を有意に増加させ、同時にKlight1.3bセンサーの蛍光信号を低下させることを示しました。これらの結果は、DA濃度の増加がダイノルフィンの放出を減少させることを明らかにし、DAとKOR系の間の動的相互作用を明らかにしました。
主な結果デバイスの設計と製造：無線、バッテリーフリーのマイクロ流体-蛍光デバイスの開発に成功し、空間的および時間的に薬物送達を制限しながら神経活動依存の蛍光信号を記録できる。
薬物送達と蛍光検出：体外および体内実験により、デバイスの薬物送達と蛍光検出機能が検証され、薬物がプローブの下に拡散する過程が約25秒で完了することが確認された。
行動と神経活動の双方向制御：AMPAとMuscimolの送達がM2ニューロンの活性とマウスの行動を有意に制御できることが示された。
光刺激と神経伝達物質センシング：光刺激がGrabNE2mセンサーの蛍光信号を有意に増加させ、Yohimbineの送達がこの効果を抑制することが示された。
神経調節系の相互作用：DAの送達がGrabDA3mセンサーの蛍光信号を有意に増加させ、同時にKlight1.3bセンサーの蛍光信号を低下させ、DAとKOR系の間の動的相互作用を明らかにした。
結論この研究では、マイクロ流体と蛍光技術を統合したデバイスを開発し、空間的および時間的に薬物送達を制限しながら神経活動依存の蛍光信号を記録できることを示しました。このデバイスは、局所薬理学、投射特異的光刺激、および神経伝達物質センシングを組み合わせ、神経伝達物質系の内因性機能を研究するための新しいツールを提供します。さらに、このデバイスは神経調節系の間の動的相互作用を明らかにし、神経薬理学研究に新たな視点を提供します。
研究のハイライトデバイス設計の革新：無線、バッテリーフリーのマイクロ流体-蛍光デバイスを開発し、空間的および時間的に薬物送達を制限しながら神経活動依存の蛍光信号を記録できる。
多機能実験プラットフォーム：このデバイスは、局所薬理学、投射特異的光刺激、および神経伝達物質センシングを組み合わせ、神経伝達物質系の内因性機能を研究するための新しいツールを提供する。
神経調節系の相互作用の研究：DAとKOR系の間の動的相互作用を明らかにし、神経薬理学研究に新たな視点を提供する。
研究の価値この研究で開発されたデバイスは、神経薬理学研究に新たなツールを提供し、局所薬理学、投射特異的光刺激、および神経伝達物質センシングを組み合わせて神経伝達物質系の内因性機能を明らかにします。さらに、このデバイスは神経調節系の間の動的相互作用を明らかにし、神経薬理学研究に新たな視点を提供します。この研究は、重要な科学的価値と応用価値を持ち、神経薬理学研究の発展を推進する可能性があります。