Development and therapeutic application of deep brain and spinal cord stimulation using X-rays

X射线深部脑和脊髓刺激的开发和治疗应用

基本信息

批准号：
21K15191
负责人：
松原崇紀
金额：
$ 2.91万
依托单位：
Fujita Health University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

光遺伝学は、光感受性オプシンを特定の細胞に発現させ、可視光の照射により特定の神経細胞の活動を自由に操作できる技術であるが、可視光の生体透過性が低いため、光ファイバーを脳内に挿入する必要がある。そこで、我々は生体透過性の高いX線とX線を可視光へと変換するシンチレータを用いて、X線照射により特定の神経細胞に発現させたオプシンを駆動させる技術を開発した。しかしながら、現時点での問題点はX線照射による被曝線量である。そこで、極めて低い被曝線量で神経操作を行うために、短い光刺激で長期的に活性化できるステップ・ファンクション・オプシンを用いて低被曝X線光遺伝学法を開発し、本手法が病態モデルマウスの治療に応用可能であることを示す。短時間の可視光照射により非常に長い時定数で開口できる高光感受性ステップ・ファンクション・オプシン（SOUL）を用いた。SOULを活性化できる最小の光強度はおよそ10μW/mm2であり、従来予定していたX線を青色可視光に変換できるシンチレータ（Ag:ZnS）では、十分に活性化できない可能性があった。そこで、新たにX線を青色可視光に変換できるシンチレータXの検討を行った。粒子状にした青色シンチレータXの蛍光強度を測定したところ、これまでに使用していたCe:GAGG（黄色発光シンチレータ）粒子の蛍光強度の2-3倍高いことがわかった。そのため、SOULを十分に活性化できる蛍光強度であることから、青色シンチレータXをマウスの脳内に注入し細胞毒性を検討した。注入領域をミクログリアおよびアストロサイトのマーカーであるIba1抗体およびGFAP抗体で免疫染色したところ、青色シンチレータXを注入した領域以上に広い領域でミクログリアおよびアストロサイトの活性化が見られた。今後はより細胞毒性を軽減するため、青色シンチレータX粒子をシリカ被覆し投与する。

光遗传学是一种允许特定细胞表达光敏视蛋白并通过用可见光照射来自由操纵特定神经元的活动的技术。因此，我们开发了一种技术，利用具有高生物渗透性的X射线和将X射线转化为可见光的闪烁体，通过X射线照射来驱动特定神经细胞中表达的视蛋白。然而，目前的问题是X射线照射的暴露剂量。因此，为了以极低的辐射剂量进行神经操作，我们开发了一种使用阶跃功能视蛋白的低剂量X射线光遗传学方法，该视蛋白可以通过短时间的光刺激长时间激活。应用于治疗.我们使用了高度光敏感的阶跃函数视蛋白（SOUL），它可以通过短期可见光照射以非常长的时间常数打开。能够激活SOUL的最低光强度约为10μW/mm2，能够将X射线转换为可见蓝光的闪烁体（Ag:ZnS）可能无法充分激活它。因此，我们研究了一种新型闪烁体X，它可以将X射线转换成蓝色可见光。当我们测量蓝色闪烁体的荧光强度时因此，由于荧光强度足以激活SOUL，我们将蓝色闪烁体X注射到小鼠大脑中并检查其细胞毒性。当用小胶质细胞和星形胶质细胞的标记物Iba1抗体和GFAP抗体对注射区域进行免疫染色时，在比注射蓝色闪烁剂X的区域更广泛的区域中观察到小胶质细胞和星形胶质细胞的活化。未来，蓝色闪烁体X颗粒将被二氧化硅包裹并给药，以进一步降低细胞毒性。