纳米粒子从光中产生热量来操纵神经元中的电活动

纳米材料已用于各种新兴应用，例如靶向药物或支持其他材料和产品，例如传感器、能量收集和存储设备。圣路易斯华盛顿大学 McKelvey 工程学院的一个团队正在使用纳米粒子作为加热器来操纵大脑神经元和心脏心肌细胞的电活动。

该研究结果于 2021 年 7 月 3 日发表在Advanced Materials 上，有可能转化为其他类型的可兴奋细胞，并作为纳米神经工程的宝贵工具。

材料科学家 Srikanth Singamaneni 和生物医学工程师Barani Raman及其团队合作开发了一种非侵入性技术，该技术使用聚多巴胺 (PDA)纳米颗粒和近红外光抑制神经元的电活动。带负电荷的 PDA 纳米粒子选择性地与神经元结合，吸收近红外光产生热量，然后将热量传递给神经元，抑制它们的电活动。

“我们证明我们可以抑制这些神经元的活动并停止它们的放电，不仅仅是断断续续，而是以分级的方式，”机械工程与材料科学系的 Lilyan & E. Lisle Hughes 教授 Singamaneni 说。“通过控制光照强度，我们可以控制神经元的电活动。一旦我们停止光照，我们就可以将它们完全恢复，而不会造成任何损害。”

除了能够有效地将光转化为热量之外，PDA 纳米颗粒还具有高度的生物相容性和生物降解性。纳米粒子最终会降解，使其成为未来用于体外和体内实验的便捷工具。

生物医学工程教授拉曼将这个过程比作在一杯咖啡中加入奶油。

“当你将奶油倒入热咖啡中时，它会通过扩散过程溶解并变成奶油咖啡，”他解释道。“它类似于控制哪些离子流入和流出神经元的过程。扩散取决于温度，所以如果你能很好地控制热量，你就可以控制靠近神经元的扩散速率。这反过来会影响细胞的电活动。这项研究证明了这样一个概念，即在纳米粒子标记的神经元附近，光热效应将光转化为热量，可用作远程控制特定神经元的一种方式。”

拉曼说，为了继续咖啡的比喻，该团队设计了一种类似于方糖的光热泡沫，在紧密包装中形成密集的纳米粒子群，其作用比分散的单个糖晶体更快。

“由于它们中的许多都装在一个小体积中，泡沫可以更快地将光转化为热量，并且只对我们想要的神经元进行更有效的控制，”他说。“你不必使用高强度的力量来产生同样的效果。”

此外，包括生物医学工程副教授 Jon Silva 在内的团队将 PDA 纳米颗粒应用于心肌细胞或心肌细胞。有趣的是，光热过程激发了心肌细胞，表明该过程可以根据细胞的类型增加或减少细胞的兴奋性。

“细胞或组织的兴奋性，无论是心肌细胞还是肌肉细胞，在一定程度上取决于扩散，”拉曼说。“虽然心肌细胞有一套不同的规则，但控制对温度的敏感性的原理预计是相似的。”

现在，该团队正在研究不同类型的神经元如何对刺激过程做​​出反应。他们将通过选择性地结合纳米颗粒来靶向特定的神经元，以提供更多的选择性控制。

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