CN107510894A - 纳米线纤维阵列应用于神经细胞局部离子通道的激活装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于神经细胞激活产品技术领域，具体公开一种纳米线纤维阵列应用于神经细胞局部离子通道的激活装置，包括纳米纤维阵列衬底、置于纳米纤维衬底上的纳米纤维阵列，以及照射到纳米纤维衬底的背面的照射光源。该激活装置可以实现局部地神经细胞的细胞体或轴突进行照射，对神经细胞的细胞体或轴突表面的离子通道进行激活或改变其构型，能显著地调节离子通道的活性，有效改善异常精神活动，治疗精神疾病。
Description
技术领域
本发明属于神经细胞激活技术领域，特别涉及一种纳米线纤维阵列应用于神经细胞局部离子通道的激活装置。
背景技术
在生物医学研究领域，对生物细胞施加具有空间区域性或时间分辨性的外界刺激(例如光、电、磁等)具有非常重要的研究与应用意义。例如，借鉴模拟生物电现象，利用电刺激神经元，促进其周围神经系统的修复。
众所周知，人体的生物电在维持神经系统信号传递、控制肌肉收缩、加速伤口愈合等多种生物学功能中起着至关重要的作用。施加电刺激具有在二维或三维离体状态以及在体内都较易实现的优势。又如，利用光刺激方法，借助蓝光辐照激活细胞阳离子通道蛋白引起兴奋，然后通过膜片钳技术改变周围宿主神经元的后突触电流，研究移植干细胞来源的神经源与宿主视网膜神经元之间的整合功能。通过外接刺激进而影响细胞内部各项生命机能的复杂机制已经成为细胞信号传导的主要研究内容。
神经细胞作为人脑的主要成分，对人体生命活动有重要的作用，主要通过离子通道传递外界的刺激。神经元离子通道是门控孔，其开闭通常由电压变化、配体结合等因素的调节。神经元中的快速信号传导需要快速的电压敏感机制来闭合或打开门控孔。干扰膜电压的任何信号都可能会改变通道门控，并且通道门控特性信号即使发生相对较小的变化也可能会产生深远的影响，因此电压门控离子通道必须位于正确的位置，以使每个神经元具有特定的特征。配体门控离子通道一般是由多亚基组成的受体-离子通道复合体，细胞外信号分子通过与受体结合而改变通道蛋白的构象，引起离子通道的开启或关闭，从而改变细胞的兴奋性，完成信号传导，通常由各种神经递质与受体上的作用位点结合来发挥生物学作用。他们的生物物理特性及其空间分布定义了神经元的信号特征，不正确的信道定位可能会导致神经元网络的通信缺陷。因此，想要调节由离子通道介导的神经元活性，通常应用外部的电刺激或化学刺激，这就需要将电极或灌注装置放置在神经元制剂中。然而，在许多情况下，远距离刺激比物理侵入电极或不精确灌注装置刺激更可取。光刺激技术可以通过提供更多的选择性刺激、更高的空间分辨率和降低设备的侵袭性来避免这些挑战，同时也避免了电刺激神经元活动记录时需要的复杂电子仪器。在过去十几年中，已经开发了许多新技术使光去触发神经元。早期的技术能够提高神经元的敏感性，并在激光暴露的秒数内产生动作电位尖峰。光可以投射到组织制剂上，具有很高的时间和空间精度。它可以集中在单个细胞甚至亚细胞结构上，也可以在不同的细胞中快速重新定向。利用现代激光扫描技术，可以在大量神经元上“绘制”光线，通过光介导的离子通道激活可以精确控制神经网络，从而允许进行比之前更高级的实验。
光是用于高精度控制生物过程的理想外部刺激物，它可以以非常高的空间和时间精度进行操作，可以从远处投射到组织上，并且因为细胞通常不是本征感光的，所以光可以用作正交、高度特异性的刺激。在过去的研究中，有大量的方法通过使离子通道和神经元对光的敏感来实现光学控制电信号，这些方法包括天然的光敏蛋白和蛋白质结构域，包裹的神经递质和可逆的开关。关于离子通道的激活产生的影响还跟离子通道在细胞表面的空间分布位置相关。例如有些神经性疾病例如小儿自闭症，是选择性地与神经细胞的轴突上的离子通道的构象变化或激活相关，而与神经细胞细胞体表面的离子通道相关性较弱。因此选择性地对生物细胞施加具有空间区域性或时间分辨性的光刺激，能够选择性地激活神经细胞相应表面区域的离子通道，诱导细胞生理活动的改变或病变的发生，可以作为基础生物医生探索病变原因和机理的重要工具。
常规传统方法对神经细胞离子通道的调控只能依赖化合物对其通道进行激活或抑制，但是化学方法不具有针对同一细胞的空间分辨性，无法区分细胞体或轴突上的离子通道。如利用光局部照射方法，例如具有高分辨率的光源或激光，局部照射神经细胞体或轴突以实现离子通道的局部激活，由于神经细胞的尺寸范围仅为5-50微米，现有的局部光源技术还无法实现对细胞的高选择性局部照射。如果需要对多个细胞同时进行离子通道的激活，目前的技术只能针对多个细胞进行同时照射，也不具有足够的空间分辨性例如区分细胞体或轴突上的离子通道。即使使用光区比较小的纳米纤维传输激光对细胞体或轴突进行局部照射，由于其需要使用微操作台或微操作仪器对光源进行定点移动，故只能针对单个细胞进行照射，不仅操作步骤繁琐，也无法对多个细胞进行同时操作。
因此，研发一种能同时对多个细胞进行光照射，以调节离子通道的活性可改善异常精神活动，治疗精神疾病的神经细胞局部离子通道激活装置迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种纳米线纤维阵列应用于神经细胞局部离子通道的激活装置，该激活装置可以实现局部地神经细胞的细胞体或轴突进行照射，对神经细胞的细胞体或轴突表面的离子通道进行激活或改变其构型，能显著地调节离子通道的活性，有效改善异常精神活动，治疗精神疾病。
为了达到上述技术目的，本发明是按以下技术方案实现的：
本发明所述的一种纳米线纤维阵列应用于神经细胞局部离子通道的激活装置，包括纳米纤维阵列衬底、置于纳米纤维衬底上的纳米纤维阵列，以及照射到纳米纤维衬底的背面的照射光源。
作为上述技术的进一步改进，所述纳米纤维阵列呈块状分布，每小块的长度大小为 5-20微米，块状内纳米纤维的间隙为500nm-2000nm，块状区域间隔为20微米以上。
作为上述技术的更进一步改进，所述纳米纤维阵列的块状的形状可以为方块或圆形或三角形或任意几何形状，所述纳米纤维阵列的总面积不大于20x20平方微米。
在所述纳米纤维衬底的材料是采用具有生物相容性的不透光金属材料铂，选择具有生物相容性的不透光金属材料，或不透明生物相容性高分子材料或不透明氧化物。
在本发明中，所述纳米纤维材料采用具有生物相容性氧化物材料。或者使用多层的壳-核结构，其外层为氧化物，内核为具有不同折射指数的材料，内核为空心结构。
在本发明中，所述纳米纤维材料为使用多层的壳-核结构的物质，其外层为氧化物，内核为具有不同折射指数的材料，内核为空心结构。
在本发明中，所述照射光源是为持续光源，或者是波长或强度变动的光源，所述照射光源的波长要小于可见光。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过控制纳米纤维直径，长度和密度，在纳米纤维阵列衬底的背面提供入射光源，并选择合适的波长和强度，纳米纤维阵列可以和神经细胞很好的结合，并通过局部光源的照射，选择性的对神经细胞的细胞体或者轴突表面的离子通道进行激活或改变其构型，诱导细胞生理活动的改变或病变的发生，同时可以安全的内化到细胞中而不扰乱细胞的增值和分化，为研究神经元离子通道提供了新的可实施方法，是基础生物医学探索病变原因和机理所需的重要思路。
(2)本发明能有效的调节离子通道的活性可改善异常精神活动，对治疗精神疾病提供有力的帮助。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的说明：
图1是本发明所述的应用于神经细胞局部离子通道的激活装置的结构示意图；
图2是本发明实施例一应用状态示意图(只有细胞体落在纳米纤维阵列上)；
图3是本发明实施例一应用状态示意图(只有轴突落在纳米纤维阵列上)；
图4是本发明实施例一应用状态示意图(细胞体和轴突都落在纳米纤维阵列上)。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的一种纳米线纤维阵列应用于神经细胞局部离子通道的激活装置，包括纳米纤维阵列衬底1、置于纳米纤维衬底上的纳米纤维阵列2，以及照射到纳米纤维衬底的背面的照射光源3。所述纳米纤维阵列3呈块状分布，且每小块的长度大小为5-20微米，块状内纳米纤维的间隙为500nm-2000nm，块状区域间隔为20微米以上。
所述纳米纤维阵列2的块状的形状可以为方块或圆形或三角形或任意几何形状，所述纳米纤维阵列2的总面积不大于20x20平方微米。
在所述纳米纤维衬底1的材料是采用具有生物相容性的不透光金属材料金或铂，或者选择具有生物相容性的不透光金属材料，或不透明生物相容性高分子材料或不透明氧化物。
所述纳米纤维阵列2的材料采用具有生物相容性氧化物材料，例如氧化硅，氧化铝；或者使用多层的壳-核结构，其外层为氧化物，内核为具有不同折射指数的材料，内核为空心结构。
所述照射光源3为持续光源，或者是波长或强度变动的光源，所述照射光源的波长要小于可见光。
以下通过具体实施例对本发明进行说明：
实施例一：
将神经细胞培养在纳米纤维阵列2的表面上，并将神经细胞随机性地在纳米纤维阵列上铺展开。
细胞与纳米纤维的接触界面会有以下三种情况：
第一种，只有细胞体10落在纳米纤维阵列2上，轴突20没有落在纳米纤维阵列2上；
第二种，只有轴突20落在纳米纤维阵列2上，
细胞体10没有落在纳米纤维阵列2上；
第三种，轴突20和细胞体10同时落在纳米纤维阵列2上。
实施例二：
使用光源从纳米纤维阵列衬底的底部照射，检查神经细胞照射情况：
对于上述实施例一的第一种情况，光线只落在细胞体10上，没有照射在轴突20；
对于上述实施例一的第二种情况，光线只落在轴突上，没有照射在细胞体；
对于上述实施例一的第三种情况，光线同时落在轴突和细胞体上。
实施例三：
检查神经细胞细胞体和轴突上离子通道的照射情况，
对于上述实施例一的第一种情况，细胞体10上的离子通道直接受到光照射，而轴突20上的离子通道没有受到光直接照射；
对于上述实施例一的第二种情况，轴突20上的离子通道直接受到光照射，而细胞体10上的离子通道没有受到光直接照射；
对于上述实施例一的第三种情况，细胞体10和轴突20上的离子通道直接受到光照射。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也包含这些改动和变型。
Claims (7)
1.一种纳米线纤维阵列应用于神经细胞局部离子通道的激活装置，其特征在于：包括纳米纤维阵列衬底、置于纳米纤维衬底上的纳米纤维阵列，以及照射到纳米纤维衬底的背面的照射光源。
2.根据权利要求1所述的纳米线纤维阵列应用于神经细胞局部离子通道的激活装置，其特征在于：所述纳米纤维阵列呈块状分布，每小块的长度大小为5-20微米，块状内纳米纤维的间隙为500nm-2000nm，块状区域间隔为20微米以上。
3.根据权利要求2所述的纳米线纤维阵列应用于神经细胞局部离子通道的激活装置，其特征在于：所述纳米纤维阵列的块状的形状可以为方块或圆形或三角形或任意几何形状，所述纳米纤维阵列的总面积不大于20x20平方微米。
4.根据权利要求1所述的纳米线纤维阵列应用于神经细胞局部离子通道的激活装置，其特征在于：所述纳米纤维阵列衬底的材料采用具有生物相容性的不透光金属材料铂，选择具有生物相容性的不透光金属材料，或不透明生物相容性高分子材料或不透明氧化物。
5.根据权利要求1至4任一项所述的纳米线纤维阵列应用于神经细胞局部离子通道的激活装置，其特征在于：所述纳米纤维材料采用具有生物相容性氧化物材料，或者使用多层的壳-核结构，其外层为氧化物，内核为具有不同折射指数的材料，内核为空心结构。
6.根据权利要求1至4任一项所述的纳米线纤维阵列应用于神经细胞局部离子通道的激活装置，其特征在于：所述纳米纤维材料为使用多层的壳-核结构的物质，其外层为氧化物，内核为具有不同折射指数的材料，内核为空心结构。
7.根据权利要求1所述的纳米线纤维阵列应用于神经细胞局部离子通道的激活装置，其特征在于：所述照射光源是为持续光源，或者是波长或强度变动的光源，所述照射光源的波长要小于可见光。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710551850.4A Pending CN107510894A (zh) | 2017-07-07 | 2017-07-07 | 纳米线纤维阵列应用于神经细胞局部离子通道的激活装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107510894A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110553886A (zh) * | 2019-10-15 | 2019-12-10 | 中山大学 | 激光辅助水凝胶微针阵列提取检测血液中生物标志物装置及其制备方法 |
| CN112469472A (zh) * | 2018-05-31 | 2021-03-09 | 琳妮·比尔斯顿 | 用于治疗口腔和咽部疾病的系统、装置和方法 |
| CN115998946A (zh) * | 2022-12-15 | 2023-04-25 | 四川大学 | 一种磁电响应仿生取向纤维水凝胶及其制备方法和应用 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103567136A (zh) * | 2012-08-02 | 2014-02-12 | 纳米新能源（唐山）有限责任公司 | 纳米超声发生装置及其制作方法和离子导入装置 |
| US20140329707A1 (en) * | 2013-05-05 | 2014-11-06 | The Trustees Of Boston College | Nanoscale coaxial electrode arrays and methods thereof |
| CN105947971A (zh) * | 2016-05-26 | 2016-09-21 | 清华大学深圳研究生院 | 一种铁磁性纳米线阵列的制备方法 |
| CN106458601A (zh) * | 2014-06-17 | 2017-02-22 | 埃琳娜·莫洛卡诺瓦 | 用于操纵细胞膜电位的石墨烯和石墨烯相关的材料 |
| WO2017109346A1 (fr) * | 2015-12-22 | 2017-06-29 | Centre National De La Recherche Scientifique | Dispositif électro-optique pour la détection de la modification locale d'un champ électrique |
-
2017
- 2017-07-07 CN CN201710551850.4A patent/CN107510894A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103567136A (zh) * | 2012-08-02 | 2014-02-12 | 纳米新能源（唐山）有限责任公司 | 纳米超声发生装置及其制作方法和离子导入装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112469472A (zh) * | 2018-05-31 | 2021-03-09 | 琳妮·比尔斯顿 | 用于治疗口腔和咽部疾病的系统、装置和方法 |
| CN112469472B (zh) * | 2018-05-31 | 2024-01-26 | 琳妮·比尔斯顿 | 用于治疗口腔和咽部疾病的系统、装置和方法 |
| CN110553886A (zh) * | 2019-10-15 | 2019-12-10 | 中山大学 | 激光辅助水凝胶微针阵列提取检测血液中生物标志物装置及其制备方法 |
| CN115998946A (zh) * | 2022-12-15 | 2023-04-25 | 四川大学 | 一种磁电响应仿生取向纤维水凝胶及其制备方法和应用 |
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Legal Events
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