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使用Chiaro納米壓痕儀表征麻醉劑對神經(jīng)元的作用機(jī)制

來源:東地(北京)科技有限公司   2023年12月05日 09:18  

牛津大學(xué)工程科學(xué)系(Department of Engineering Science, University of Oxford)的Antoine Jerusalem團(tuán)隊(duì),在Communications Physics上發(fā)表的一項(xiàng)研究中,使用鈣成像和納米壓痕的定制實(shí)驗(yàn)裝置來量化暴露于臨床濃度1%異氟醚氣體的背根神經(jīng)節(jié)衍生神經(jīng)元的放電活動和機(jī)械特性,來探究全身麻醉劑影響細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)和潛在力學(xué)的改變。他們發(fā)現(xiàn)異氟烷在不同的暴露階段同時動態(tài)地改變細(xì)胞粘彈性和功能活性。


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神經(jīng)元的3種處理方式

  1. 流動1%異氟烷氣體——為了量化每種處理隨時間對細(xì)胞的影響,在6個特定時間點(diǎn)進(jìn)行測量:每次處理之前、期間15/30/45 min、之后30/45 min;

  2. 鈣成像——用于測量細(xì)胞放電;

  3. 微尺度動態(tài)機(jī)械分析(DMA)以不同的頻率用于測量全細(xì)胞(膜,主要是細(xì)胞骨架,可能還有細(xì)胞核)粘彈性。

證明異氟烷會改變單個神經(jīng)元的機(jī)械特性和放電活動,并且這些改變彼此線性相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)通過證明細(xì)胞機(jī)械結(jié)構(gòu)作為一個整體與麻醉暴露期間的功能改變有關(guān),從而協(xié)調(diào)了提出解釋全身麻醉機(jī)制的不同理論。還通過證明動作電位是由細(xì)胞力學(xué)的協(xié)同和并發(fā)效應(yīng)定義和控制的,這對力學(xué)在電生理學(xué)中的作用具有更廣泛的影響。

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異氟烷對神經(jīng)元放電的影響

鈣成像用于記錄顯微鏡視野內(nèi)每個神經(jīng)元的功能活動。根據(jù)功能活動測量計算放電細(xì)胞群的比例和放電事件的平均數(shù)量,以確定異氟烷對神經(jīng)元放電的影響。


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異氟烷對神經(jīng)元力學(xué)的影響

使用六個不同頻率的動態(tài)力學(xué)分析(DMA)來測量異氟烷對神經(jīng)元粘彈性的影響。

神經(jīng)元粘彈性與放電之間的相關(guān)性

對神經(jīng)元放電的平均次數(shù)與平均神經(jīng)元、或在給定頻率下測量。對用異氟烷處理的細(xì)胞和流動空氣控制期間和之后時間點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸。


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微尺度DMA

Optics11 Chiaro納米壓痕儀懸臂上的球?qū)悠肥┘诱袷幋碳?,神?jīng)元和懸臂的光學(xué)圖像如(a)所示;

單個DMA測量的代表性力-壓痕曲線如(b)所示:當(dāng)懸臂接近并壓痕細(xì)胞(藍(lán))時,開始DMA(洋紅),懸臂被撤回(黑)。隨時間推移,也顯示了細(xì)胞所經(jīng)歷的力(c)和壓痕(d),以及每個DMA頻率。藍(lán)色箭頭表示接觸點(diǎn),即首先與細(xì)胞表面接觸的地方。


結(jié)論

異氟醚影響神經(jīng)元放電和粘彈性。在異氟醚的作用下,神經(jīng)元的放電被改變,而不是被抑制。這些發(fā)現(xiàn)與腦電圖測量結(jié)果一致。同時,異氟醚使神經(jīng)元E'和E''增加。與E'相比,E''的變化程度較小,且延遲15-30 min。這種延遲是細(xì)胞力學(xué)的特征,假設(shè)是由于細(xì)胞從一種能量狀態(tài)過渡到另一種能量狀態(tài)時,細(xì)胞骨架中的鍵結(jié)合/解結(jié)合動力學(xué)引起的。異氟醚以這種方式改變細(xì)胞力學(xué)的事實(shí)支持了全身麻醉劑影響細(xì)胞內(nèi)分子間相互作用的假設(shè),并表明全身麻醉劑通過在系統(tǒng)水平上改變細(xì)胞熱力學(xué)來影響細(xì)胞活動。此外,觀察到的神經(jīng)元放電和tanδ變化之間的線性相關(guān)表明神經(jīng)元放電和力學(xué)是耦合的。


Action of the general anaesthetic isoflurane reveals coupling between viscoelasticity and electrophysiological activity in individual neurons

doi: 10.1038/s42005-023-01252-7

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