柔软的光纤在与身体移动和拉伸时阻隔疼痛

科学家们有一种新的工具来精确地阐明神经疼痛的根源。

麻省理工学院的工程师已经开发出柔软且可植入的纤维，可以通过身体将光传递到主要神经。当这些神经被基因操纵以响应光时，纤维可以向神经发送光脉冲以抑制疼痛。光纤具有柔韧性，可随身体拉伸。

这种新纤维旨在作为一种实验工具，科学家可以使用它来探索动物模型中周围神经疾病的原因和潜在治疗方法。当大脑和脊髓外的神经受损时，可能发生周围神经疼痛，导致受影响的肢体刺痛、麻木和疼痛。据估计，在美国，周围神经病变影响了2000多万人。

“目前用于研究神经疾病的设备是由限制运动的僵硬材料制成的，因此如果涉及疼痛，我们就无法真正研究脊髓损伤和恢复，”马萨诸塞大学阿默斯特分校生物医学工程助理教授Siyuan Rao说，他在麻省理工学院作为博士后进行了部分工作。“我们的纤维可以适应自然运动并完成工作，同时不限制主体的运动。这可以为我们提供更准确的信息。

“现在，人们有一种工具可以在非常动态，自然和不受约束的条件下研究与周围神经系统相关的疾病，”现任密歇根州立大学（MSU）助理教授的22岁的刘新月博士补充道。

他们团队新纤维的细节今天在 Nature Methods 上发表的一项研究中进行了报道。Rao和Liu的麻省理工学院合著者包括化学研究生Atharva Sahasrabudhe;赵宣和，机械工程与土木环境工程教授;以及材料科学与工程教授Polina Anikeeva，以及MSU，UMass-Amherst，哈佛医学院和美国国立卫生研究院的其他人。

超越大脑

这项新研究源于该团队希望将光遗传学的使用扩展到大脑之外。光遗传学是一种通过基因工程改造神经对光做出反应的技术。然后，暴露在这种光下可以激活或抑制神经，这可以为科学家提供有关神经如何工作以及与周围环境相互作用的信息。

神经科学家已经在动物身上应用光遗传学来精确追踪一系列脑部疾病背后的神经通路，包括成瘾、帕金森病、情绪和睡眠障碍——这些信息导致了针对这些疾病的靶向治疗。

迄今为止，光遗传学主要用于大脑，这是一个缺乏疼痛受体的区域，允许相对无痛地植入刚性装置。然而，刚性装置仍然会损害神经组织。麻省理工学院的研究小组想知道这项技术是否可以扩展到大脑外的神经。就像大脑和脊髓一样，外周系统的神经也会经历一系列损伤，包括坐骨神经痛、运动神经元疾病以及全身麻木和疼痛。

光遗传学可以帮助神经科学家确定周围神经疾病的具体原因，并测试缓解它们的疗法。但是，在大脑之外实施该技术的主要障碍是运动。周围神经不断受到周围肌肉和组织的推拉。如果在外围使用刚性硅器件，它们会限制动物的自然运动并可能导致组织损伤。

晶体和光

研究人员希望开发一种可以与身体一起工作和移动的替代方案。他们的新设计是一种柔软，可拉伸，透明的纤维，由水凝胶制成 – 聚合物和水的橡胶状，生物相容性混合物，他们调整其比例以产生微小的纳米级聚合物晶体，分散在更像Jell-O的解决方案中。

光纤包含两层 – 核心和外壳或“包层”。该团队混合了每层的溶液以产生特定的晶体排列。这种排列使每一层都具有特定的，不同的折射率，并且这些层一起防止任何通过光纤的光逃逸或散射。

研究小组在小鼠身上测试了光纤，这些小鼠的神经经过基因改造，可以对激发神经活动的蓝光或抑制其活动的黄光做出反应。他们发现，即使植入了纤维，小鼠也能够在轮子上自由奔跑。经过两个月的车轮锻炼，大约30,000个周期，研究人员发现纤维仍然坚固且抗疲劳，并且还可以有效地传输光以触发肌肉收缩。

然后，该团队打开黄色激光并将其穿过植入的光纤。使用标准的实验室程序来评估疼痛抑制，他们观察到小鼠对疼痛的敏感度远低于未受到光刺激的啮齿动物。这些纤维能够显着抑制那些受光刺激的小鼠的坐骨神经痛。

研究人员将这些纤维视为一种新工具，可以帮助科学家识别疼痛和其他周围神经疾病的根源。

“我们专注于纤维作为一种新的神经科学技术，”刘说。“我们希望帮助剖析周围神经系统疼痛的机制。随着时间的推移，我们的技术可能有助于确定慢性疼痛和其他衰弱性疾病（如神经退化或损伤）的新机制疗法。

这项研究得到了美国国立卫生研究院，国家科学基金会，美国陆军研究办公室，麦戈文脑研究所，Hock E. Tan和K. Lisa Yang自闭症研究中心，K. Lisa Yang脑体中心以及大脑和行为研究基金会的部分支持。