Development of generic X-ray-based optogenetics using a highly efficient and multi-color system

使用高效多色系统开发基于 X 射线的通用光遗传学

基本信息

批准号：
22H02939
负责人：
山下貴之
金额：
$ 11.15万
依托单位：
Fujita Health University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

私たちは、生体を透過するX線を用いて神経細胞の活動を遠隔操作する「X線光遺伝学」を独自に開発した（Matsubara et al., Nat. Commun., 2021）。しかしながら、本技術は技術として未成熟であり、汎用性を高める必要がある。そこで、本研究では、様々な発光波長を持つ高効率シンチレータを活用するとともにX線エネルギーを高効率で光感受性タンパク質に伝達する技術を開発することで、汎用的な脳神経機能の遠隔操作技術を確立することを目標とする。新たなシンチレータ素材候補としてRb2CuRr3, Cs3Cu2I5,(C38H34P2)MnBr4のバルク結晶を作成するとともに、中国の研究者よりさらに3種類のシンチレータ材料を得た。これら結晶を粉砕して粒子化し、マウス脳に注射して留置したところ、いずれも注入部位に強い炎症反応が見られた。したがって、これら粒子をX線光遺伝学に利用するためには被膜を施すなどの工夫が必要であることが分かった。これらの結果を踏まえ、シリカ被膜法の条件検討と生体無害なシンチレータと予想される素材（未公表のため割愛）の新規合成を進めた。他方、Ce:GAGG粒子を最小化するため、Ce:GAGGナノ粒子を生成し、条件検討により量子効率９０％を達成した。また、新たなシンチレータ素材を用いたX線光遺伝学の有効性を直接的に検討するため、ヒト用レントゲン照射装置と電気生理学的計測を組み合わせたセットアップを構築した。生体マウス脳から神経活動を記録しながら、Ce:GAGGとChRmineを用いた従来のX線光遺伝学法を用いて神経活動を操作し、神経細胞の発火頻度上昇を確認した。さらに、2021年度中にX線光遺伝学を用いた行動実験を行うことができる高出力のX線照射が可能なX線照射装置が新たに導入された。

我们独立开发了“X射线光遗传学”，利用穿透活体的X射线远程控制神经细胞的活动（Matsubara et al., Nat. Commun., 2021）。然而，这项技术仍然不成熟，需要变得更加通用。因此，在本研究中，我们将通过利用各种发射波长的高效闪烁体和开发将X射线能量高效传输至光敏蛋白的技术，建立一种通用的脑神经功能远程控制技术。除了创建 Rb2CuRr3、Cs3Cu2I5 和 (C38H34P2)MnBr4 块状晶体作为新的闪烁体材料候选外，我们还从中国研究人员那里获得了另外三种闪烁体材料。当这些晶体被粉碎成颗粒并注射到小鼠大脑中并留在原处时，在注射部位观察到强烈的炎症反应。因此，发现为了将这些颗粒用于X射线光遗传学，有必要设计诸如涂覆它们的措施。基于这些结果，我们研究了二氧化硅涂层方法的条件，并继续合成一种新材料（因为尚未发表，所以未发表），预计将成为一种对生物无害的闪烁体。另一方面，为了最大限度地减少 Ce:GAGG 颗粒，我们生成了 Ce:GAGG 纳米颗粒，并通过检查条件实现了 90% 的量子效率。此外，为了直接检查使用新型闪烁体材料的 X 射线光遗传学的有效性，我们构建了一个结合了人体 X 射线照射装置和电生理测量的装置。在记录活体小鼠大脑的神经活动时，我们使用传统的 X 射线光遗传学（使用 Ce:GAGG 和 ChRmine）操纵神经活动，并证实神经元放电频率的增加。此外，2021财年期间还安装了能够进行高功率X射线照射的新型X射线照射装置，可以利用X射线光遗传学进行行为实验。