科学家新研发“水凝胶”材质纤维材料或可用来止痛

MIT

科学家们有更好的方法来“照亮”全身的神经细胞吗？当研究人员Xinyue Liu和Siyuan Rao第一次在麻省理工学院开始合作时，他们认真研究了这个问题。

光遗传学是一个跨学科的科学分支，在该分支中，细胞被基因改变为光敏细胞，从而有可能抑制或激发细胞，并通过应用彩色光来研究其功能。通常，到达目标细胞的光传输线是由在大脑中静止时工作良好的材料制成的。然而，如果它们被植入试验动物体内的其他地方，它们可能会破坏、损伤组织或影响行为，从而难以研究外周神经系统，尤其是疼痛。

现在，Liu、Rao和同事们开发了一种柔软、灵活、耐用的光纤，使用这种新材料后，水凝胶将光遗传学光信号从大脑或脊椎传递出去。该细丝由两种不同折射性能的水凝胶的内芯和外包层组成，但纤维直径只有约一毫米。

研究人员在10月19日发表在《自然方法》杂志上的一篇论文（https://www.nature.com/articles/s41592-023-02020-9）中描述了这种光纤及其在模型小鼠中的各种测试方法。这项工作为光遗传学、外周神经系统研究以及未来可能的转化医学（包括疼痛、慢性疼痛和神经疾病的治疗）增添了另一项技术和一点灵活性。

多伦多大学疼痛研究员Rob Bonin没有参与这项研究，他说：“这种柔性纤维扩展了我们用于外周光遗传学工作的方法工具箱。”他指出，灵活性和耐用性是新方法的两大优势。

广义上讲，水凝胶是聚合物和水的软网络，如豆腐或果冻。“我们的身体也是由水凝胶组成的。除了骨骼和牙齿，我们的肌肉和其他器官实际上都是水凝胶，”现就职于密歇根州立大学的材料科学家Liu说。该纤维使用聚乙烯醇水凝胶，因其在重复机械应力下的光学性能和耐用性而被选中。

软材料的研究是在考虑到外周神经系统的光遗传学疼痛研究的情况下开始的。“如果你的植入物本身会引起疼痛，你将如何使用这项技术来研究疼痛？”现就职于马萨诸塞大学阿默斯特分校的神经科学家Rao说。

尽管目前水凝胶纤维主要是小鼠的研究工具，但使这项新技术在基础科学中脱颖而出的相同品质——它在自由移动的身体中耐用且明显舒适，光学性能不受影响——对潜在的治疗目的也是积极的。“我们正在朝着这个方向努力，”Rao说。

研究人员将纤维的一端固定在老鼠的头骨上，穿过皮肤，并在另一端用袖带包裹腿上的坐骨神经。从实用的角度来看，这使得植入物与现有的外部光源兼容，并防止老鼠抓挠设备的任何元件。但它也起到了示范的作用，进而能够进行全方位的运动。以老鼠为标准，这种纤维只需要6厘米长，但作者表示，它可以扩展到其他用途。

一系列测试表明，这种纤维可以透光，也可以在小鼠身上发挥作用，阻断脚上热板引起的疼痛，并诱导腿部运动。至关重要的是，经过几周的自愿运动轮使用，纤维表现良好，研究人员估计，这些纤维加起来共经历了数千次弯曲和扭转。

其他对小鼠外周神经系统的光遗传学研究尝试了各种光传递方法，这些方法根本不使用光纤，而是通过皮肤照射光或植入微型远程设备。相比之下，新型水凝胶纤维应该能够更精确地靶向特定细胞，Rao说。对于Bonin来说，外部光源有其优缺点，包括更高强度的光和系绳可能影响行为的可能性。

伦敦大学学院疼痛研究员Federico Iseppon没有参与这项研究，他说，尽管这种纤维可能相对容易使用，但制造和手术植入仍然需要专业知识。它有望在大脑和脊椎之外有广泛的潜在应用。他说：“它的可塑性在于这项技术可以靶向多种不同的组织。”

Liu目前正在研究水凝胶和器官之间的接口，如贴片，这将实现目前袖带设计不允许的连接。理想情况下，这种纤维最终还可以帮助科学家记录活动并向细胞发送信号。