Gold-Nanostäbchenunterstützte optische Stimulation von Nervenzellen

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt, wie die vorübergehende Erwärmung, die mit der optischen Absorption von Goldnanostäbchen verbunden ist, genutzt werden kann, um die Differenzierung und intrazelluläre Kalziumaktivität in neuronalen Zellen zu stimulieren. Diese Ergebnisse eröffnen möglicherweise neue Anwendungen in neuronalen Prothesen und Grundlagenstudien in den Neurowissenschaften.

Zusammenfassung

Neuere Studien haben gezeigt, dass Nerven auf verschiedene Weise durch die vorübergehende Erwärmung stimuliert werden können, die mit der Absorption von Infrarotlicht durch Wasser im neuronalen Gewebe verbunden ist. Diese Technik birgt ein großes Potenzial, Standard-Stimulationstechniken zu ersetzen oder zu ergänzen, da sie das Potenzial für eine erhöhte Lokalisierung des Stimulus und die Minimierung des mechanischen Kontakts mit dem Gewebe bietet. Optische Ansätze sind jedoch durch die Unfähigkeit des sichtbaren Lichts begrenzt, tief in das Gewebe einzudringen. Darüber hinaus deutet die thermische Modellierung darauf hin, dass kumulative Erwärmungseffekte potenziell gefährlich sein könnten, wenn mehrere Stimulusstellen oder hohe Laserwiederholraten verwendet werden. Das im Folgenden skizzierte Protokoll beschreibt einen erweiterten Ansatz zur Infrarotstimulation neuronaler Zellen. Der zugrundeliegende Mechanismus basiert auf der vorübergehenden Erwärmung, die mit der optischen Absorption von Goldnanostäbchen verbunden ist und die Auslösung der neuronalen Zelldifferenzierung und eine erhöhte intrazelluläre Kalziumaktivität bewirken kann. Diese Ergebnisse zeigen, dass Nanopartikel-Absorber den Prozess der neuronalen Infrarotstimulation auf der Grundlage der Wasserabsorption verbessern und/oder ersetzen können, mit Potenzial für zukünftige Anwendungen in neuronalen Prothesen und Zelltherapien.

Einleitung

Jüngste Studien haben gezeigt, daß die Übergangserwärmung mit der Absorption von Infrarotlicht durch Wasser (Wellenlänge> 1.400 nm) verbunden sind, können verwendet werden, um Aktionspotentiale in Nervengewebe ¹ und intrazellulären Calciumtransienten in Kardiomyozyten ² induzieren. Die Verwendung von Infrarotlicht hat großes Interesse für Anwendungen in der Neuroprothesen angehoben, aufgrund der potentiellen feinere räumliche Auflösung, Fehlen eines direkten Kontaktes mit dem Gewebe, Minimierung der Stimulationsartefakte und das Entfernen der Notwendigkeit, genetisch die Zellen vor der Stimulation verändern ( wie in Optogenetik erforderlich)

Protokoll

1. Au NRs Vorbereitung

Anmerkung: Au NRs kann durch eine Reihe von Rezepturen ¹⁶ synthetisiert oder von kommerziellen Anbietern erhältlich.

1. Die anfängliche optische Dichte (OD) der Au NR Lösung mittels UV-Vis-Spektroskopie, durch Aufnahme der Absorptionswerte von 300 nm bis 1.000 nm mit einer Auflösung von 0,5-2 nm. Vary das Volumen der Lösung, um mit den verfügbaren Küvetten verwendet werden.
2. Bewerten Sie die erste NP molare Konzentration mit einer geeigneten Technik ¹⁷ (zB UV-Vis-Spektroskopie, Einzelpartikel induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie, Transmissionselektronenmikros....

Ergebnisse

Durch die Verwendung von hier beschriebenen Protokolle 1, 2 und 3 wurde eine stimulierende Wirkung auf die Differenzierung neuronaler NG108-15 Zellen mit Gold-Nanopartikeln kultiviert beobachtet (Au NRs, Poly (styrolsulfonat) beschichteten Au NRs und Siliciumdioxid-beschichteten Gold-NRs) nach der Laser Expositionen zwischen 1,25 und 7,5 W · cm ^-2. Konfokale Bilder von rhodamineB markierten Au NRs gezeigt, dass die Teilchen wurden von Tag 1 der Inkubation ¹² internalisiert. Die Lokalisierung wurde .......

Diskussion

Die in dieser Präsentation beschriebenen Protokolle beschreiben, wie Kultur, zu differenzieren und optisch zu stimulieren Nervenzellen mit extrinsischen Absorber. Die NR Eigenschaften (zB Abmessungen, die Form, Plasmonresonanzwellenlänge und die Oberflächenchemie) und die Laserstimulationsparameter (wie zum Beispiel Wellenlänge, Impulsdauer, Wiederholungsrate usw.) können variiert werden, um verschiedene experimentelle Bedürfnisse angepasst werden. Die Auswirkungen auf das Zellverhalten können mit Stan.......

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Au	NR Sigma Aldrich	716812
NG108-15	Sigma Aldrich	8811230
DMEM	Sigma Aldrich	D6546
FCS	Life Technologies	10100147
L-Glutamin	Sigma Aldrich	G7513
Penicillin/Streptomycin	Life Technologies	15140122
Amphotericin B	Life Technologies	15290018
Formaldehyd	Sigma Aldrich	F8775
Triton X-100	BDH	T8532
BSA	Sigma Aldrich	A2058
Anti-Β III-Tubulin	Promega	G7121
TRITC-konjugierter Anti-Maus-IgG-Antikörper	Sigma Aldrich	T5393
DAPI	Invitrogen	D1306
Fluo-4 AM	Invitrogen	F14201
DMSO	Sigma Aldrich	472301
Pluronic F-127	Invitrogen	P6867
UV-Vis Spektrometer	Varian Medical Systems Inc.	Cary 50 Bio
Mini Zentrifuge	Eppendorf	Mini Spin
Sonic Bad	Unisonics Australia	FPX 10D
Zellkultur-Inkubator	Kendro	Hera Cell 150
Zellkulturzentrifuge	Hettich	Rotofix 32A
Laserdiode	Optotech	780 nm Singlemode Faser - gekoppelt LD
Optische Faser	Thorlabs	780 HP
Leistungsmesser	Coherent	Laser Check
ImageJ	http://rsb.info.nih.gov/ij/index.html
Epifluoreszenzmikroskop	Axon Instruments	ImageX-press 5000A
μ-slide well	Ibidi	80826
Inverses konfokales Mikroskop	Carl Zeiss Microscopy GmbH	LSM 510 metakonfokales Mikroskop
Oszilloskop	Tektronix	TDS210