光敏化合物可实现光开关中的无热膜调制

 
可用于调节神经元活动的光学技术为神经科学和生物学研究开辟了令人兴奋的可能性。光学工具可使神经科学家随意激发和抑制神经元或大脑区域。因此，它们可用于调查特定大脑回路或区域的功能，以及确定神经和精神疾病的新潜在治疗方法。
面向膜双层或与离子通道连接的束缚偶氮苯光电开关的产生是一种开创性的光学技术，可以进一步帮助人类大脑的研究。然而，该技术，特别是在高光强度下实施时，可能导致温度显着升高，因此在重复使用时可能对神经元有害。
为了克服这个限制，意大利理工学院(IIT)的研究人员与米兰理工大学(Politecnico di Milano)合作，最近创建了一种新的光敏偶氮苯化合物Ziapin2，该化合物可用于构建不会在温度升高时温度升高的光电开关。用可见光照射。这种新化合物发表在《自然纳米技术》上发表的一篇论文中，它具有高稳定性，可分隔进入质膜，从而使其变薄并在稳态下增加电容量。
进行这项研究的研究者之一Guglielmo Lanzani对TechXplore表示：“我们的研究受到两个观察的启发(或受到生物启发)。” “首先是大自然利用光致变色分子(例如视网膜感光细胞中的视网膜)捕获活细胞中的光。其次是神经元膜的扰动，尤其是电容(电荷存储能力)的变化会导致如通过加热细胞所观察到的细胞激发。”
光致变色分子，例如Chiara Bertarelli，Guglielmo Lanzani和Fabio Benfenati设计的偶氮苯化合物，在吸收光后可以改变形状。这种变化也影响了它们的某些性能，包括它们的空间位阻(即它们占据的体积)，颜色和电学性能。
当应用于膜时，此特性允许光致变色分子充当机械开关或弹簧，从而在吸收光时调节膜的厚度，从而改变其电容。反过来，这会导致一系列现象，最终导致神经元的动作电位。
Lanzani解释说：“我们研究中使用的方法使我们获得了一种非热刺激机制来诱导活细胞和组织的光敏性。” “我们的方法也是非遗传的(避免基因疗法)和非共价的(避免细胞的永久化学修饰)。换句话说，它是一种微创工具。”
Benfenati，Lanzani及其同事在将毫秒级的可见光脉冲施加到负载了所创建化合物的神经元上时，观察到了由此产生的瞬时超极化，不久之后出现了延迟的去极化，最终触发了动作电位的发射。发现这些作用是持久的，研究人员能够连续长达7天在体内引发它们。
Benfenati告诉TechXplore：“我们研究的主要成就是，我们能够在不进行光遗传学操作且不直接干扰膜离子通道的情况下刺激神经元。” “我们只是通过促进膜的瞬时变形来做到这一点，使神经元在黑暗中电稳定，并在光刺激下释放，从而激发动作电位。”
Ziapin2是Lanzani，Benfenati，Bertarelli及其同事引入的化合物，可在毫秒级的时间内调节膜电容，而不会引起温度变化。将来，它可用于开发对神经元危害较小的神经科学研究的光电开关。
本菲纳蒂说：“我们的进一步研究计划是双重的。” “一方面，我们计划在视网膜变性或挑战患病的大脑回路的实验模型中促进Ziapin激发视网膜回路的应用。另一方面，我们正在寻找水溶性更高的Ziapin变体(因此可以可以更安全地服用)，并且可以在膜中保留更长的时间。”