北理工課題組在無線植入式腦組織氧含量監(jiān)測研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-01-27 供稿：光電學(xué)院 攝影：光電學(xué)院
編輯：盛筠 審核：董立泉 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)光電學(xué)院王涌天,、楊健教授團(tuán)隊(duì)成員丁賀副教授,、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院趙國光教授和清華大學(xué)盛興副教授共同合作,，開發(fā)了一種植入式微型光電探針系統(tǒng)，可在自由活動(dòng)的動(dòng)物深層腦組織中無線、連續(xù),、實(shí)時(shí)監(jiān)測腦組織氧分壓,，并揭示了癲癇狀態(tài)下動(dòng)物腦內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)與局部氧代謝的耦合規(guī)律。研究成果以《Wireless Optoelectronic Probe to Monitor Tissue Oxygenation in Deep Brain Tissue》為題發(fā)表在Nature Photonics期刊上,。
大腦是對(duì)氧氣最敏感的器官,，腦組織中的氧含量直接影響大腦的代謝功能和功能完整性，并與顱內(nèi)創(chuàng)傷,、癲癇,、腫瘤等腦疾病狀態(tài)密切相關(guān)。如何實(shí)時(shí),、準(zhǔn)確,、便捷、原位地監(jiān)測腦組織氧分壓,，并解析其與神經(jīng)活動(dòng)的相互作用關(guān)系,，是腦科學(xué)基礎(chǔ)研究和腦疾病臨床診療中的關(guān)鍵問題。
圖1 植入腦組織中用于氧分壓監(jiān)測的光學(xué)探針工作示意圖,，通過轉(zhuǎn)移集成的方法在柔性聚酰亞胺基底上實(shí)現(xiàn)了薄膜micro LED,、光探測器和氧敏磷光涂層的一體化集成。
本工作基于“激發(fā)–傳感–響應(yīng)–無線傳輸”的光學(xué)機(jī)制,，通過設(shè)計(jì)制備微型薄膜式發(fā)光二極管（LED）,、光電探測器和氧氣敏感的磷光涂層，實(shí)現(xiàn)高度集成的微型植入式光電探針,，并利用氧氣對(duì)鉑系金屬配合物的磷光猝滅作用實(shí)現(xiàn)氧分壓檢測,。此外，開發(fā)了基于藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制和磁共振電能傳輸?shù)娜嵝曰娐吩O(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn)了在體內(nèi)環(huán)境中對(duì)植入式氧傳感光學(xué)探針的傳感驅(qū)動(dòng),，獲得了全植入式的光電氧分壓傳感系統(tǒng)。該新型全植入式傳感系統(tǒng)的研制,，將突破無法記錄深腦組織氧變化的技術(shù)瓶頸,，為研究生物機(jī)體在特定病理狀態(tài)下氧含量的全面評(píng)估提供支持。
圖2 無線植入式組織氧傳感的系統(tǒng)設(shè)計(jì)：（a）電路框架圖,；（b）實(shí)物圖,；（c）不同氧含量狀態(tài)下探針磷光強(qiáng)度的對(duì)比。
通過微創(chuàng)手術(shù)將傳感探針植入動(dòng)物腦內(nèi),，無線控制系統(tǒng)則埋入皮下,，使得傳感微系統(tǒng)能夠長時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)解決了束縛動(dòng)物活動(dòng)范圍的問題,。在改變吸入氧氣濃度,、頸動(dòng)脈結(jié)扎、麻醉等不同情況下，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)物深部腦區(qū)氧分壓的無線動(dòng)態(tài)監(jiān)測,，驗(yàn)證了腦組織氧分壓的變化規(guī)律,。
圖3（a）采用線圈設(shè)計(jì)的磁共振無線供電方式,，驅(qū)動(dòng)全植入小鼠腦內(nèi)的傳感電路系統(tǒng),，（b）記錄在不同氧含量環(huán)境中動(dòng)物腦組織氧分壓的變化過程。
在電刺激小鼠海馬腦區(qū)誘導(dǎo)癲癇的模型中,，成果記錄了癲癇放電之后海馬,、皮層等不同腦區(qū)顯著的乏氧狀態(tài)。通過與電生理記錄結(jié)合,，同步監(jiān)測了癲癇過程中的神經(jīng)電活動(dòng)與局部組織氧分壓變化,，探索了氧氣在腦神經(jīng)異常活動(dòng)過程中的作用與機(jī)理,，以及局部神經(jīng)活動(dòng)與氧代謝的耦合規(guī)律,。這種無線、實(shí)時(shí),、原位的動(dòng)態(tài)腦組織氧分壓監(jiān)測技術(shù),，精準(zhǔn)、原位腦組織氧分壓的監(jiān)測方法,，為深入探索氧代謝過程,、神經(jīng)活動(dòng)及腦疾病狀態(tài)之間的關(guān)系提供了一種有效的工具。
圖4 無線氧分壓檢測系統(tǒng)在小鼠癲癇放電狀態(tài)下檢測海馬區(qū)的氧含量動(dòng)態(tài)變化,。
本論文共同第一作者為清華大學(xué)電子系博士生蔡雪,、北京理工大學(xué)光電學(xué)院碩士畢業(yè)生張海艦、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院魏鵬虎副教授和博士生劉全磊,。合作者來自北京理工大學(xué),、清華大學(xué)電子系和材料學(xué)院、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院,、中央民族大學(xué)等單位,。該研究獲得了北京市基金、國家自然科學(xué)基金,、科技部,、北京市科技新星等項(xiàng)目支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01374-y
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