等离子体多孔金超材料实现神经元与心肌细胞的全光学无标记刺激
Giulia Bruno, Giovanni Melle, Andrea Barbaglia, Giuseppina Iachetta, Rustamzhon Melikov, Michela Perrone, Michele Dipalo & Francesco De Angelis | Advanced Science 2023 | DOI: 10.1002/advs.202205656**
标签: #光刺激 #等离子体超材料 #多孔金 #MEA #无标记 #神经调控 #心肌
一、做什么 🔬
光遗传学（Optogenetics）虽然提供了高精度的细胞操控能力，但需要病毒转染引入光敏感通道蛋白，限制了其在临床和大规模药筛中的应用。
本研究由意大利理工学院（IIT）的 Michele Dipalo 和 Francesco De Angelis 团队（与 3Brain 合作密切）提出了一种全光学、无标记、非遗传学的刺激方法。他们利用等离子体多孔金超材料（Plasmonic Porous Metamaterials）将近红外（NIR）激光脉冲转化为刺激电流，从而在不进行基因修饰的情况下，精确触发动作电位。
| 核心技术 | 说明 | 用途 |
|---|---|---|
| 等离子体多孔金超材料 | 纳米结构化的金表面，具有极强的光热/光电转换能力 | 将 NIR 光脉冲转化为局部电场变化，刺激细胞 |
| CMOS-MEA (Biochip 4096E) | 64×64 电极阵列 | 同时记录刺激引发的网络级电生理响应 |
| 无标记光刺激 | 无需转染，直接照射 | 适用于原代细胞、干细胞及临床转化 |
二、发现什么 📊
多孔金超材料的刺激机制
图1：展示了多孔金超材料的结构及其在 NIR 激光照射下产生局部光热效应/光电转换，进而改变细胞膜电位触发动作电位的机制。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 设计并制造了具有特定纳米孔隙的金超材料，将其沉积在 MEA 芯片表面。细胞（心肌细胞或神经元）直接培养在超材料上。 |
| 发现什么 | 当用脉冲 NIR 激光照射时，超材料能够高效地将光能转换为局部电信号（可能是通过光热效应引起的界面电位变化），足以去极化细胞膜并触发动作电位。 |
| 说明什么 | 这种“光-电”转换机制不仅高效，而且对细胞无毒性。它避免了光遗传学的遗传操作难题，使得任何类型的细胞都能被光控。 |
心肌细胞的精准节律控制
图2：NIR 激光脉冲成功诱导心肌细胞产生同步收缩和动作电位，频率与激光脉冲完全一致。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 在 MEA 上培养心肌细胞，施加不同频率的 NIR 激光脉冲，记录心肌细胞的电生理响应（场电位）。 |
| 发现什么 | 心肌细胞能够严格跟随激光脉冲的频率进行收缩和放电；刺激具有极高的时间精度（毫秒级），且在不同频率下均能稳定工作。 |
| 说明什么 | 该技术可用于心脏起搏研究、心律失常模型构建以及心脏药物的节律毒性测试。 |
神经元网络的激活与同步
图3：MEAs 记录显示，激光刺激成功触发了单个神经元的动作电位，并引发网络层面的级联反应。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将原代海马神经元培养在超材料 MEA 上，用短脉冲激光刺激特定区域，观察神经元的 Spike 发放和网络爆发（Network Burst）。 |
| 发现什么 | 单次激光脉冲即可可靠地触发神经元 Spike；通过控制刺激的位置和频率，可以定向激活特定的神经环路；刺激引发的网络爆发模式与电刺激相似，但空间分辨率更高。 |
| 说明什么 | 这是无标记光遗传学的重大突破。研究人员可以在不进行病毒转染的情况下，实现类似光遗传学的空间精准控制，这对于研究神经环路连接至关重要。 |
网络层面的调控能力
图4：展示了超材料 MEA 系统如何同时实现多点刺激和网络级记录。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 利用 MEA 的高密度特性，同时在多个位点施加光刺激，并记录整个网络的同步性变化。 |
| 发现什么 | 该系统能够实现闭环控制：记录网络状态 -> 识别异常（如癫痫样放电） -> 施加光刺激进行抑制或重置。 |
| 说明什么 | 这种“记录-刺激”一体化的平台，为开发新型的神经假体和抗癫痫疗法提供了技术基础。 |
三、说明什么 💡
科学意义
| 发现 | 意义 |
|---|---|
| 无标记光刺激 | 克服了光遗传学需要基因操作的壁垒，使得临床转化和原代细胞研究成为可能 |
| 高时空分辨率 | 结合 NIR 激光的聚焦能力和超材料的高灵敏度，实现了微米级的精准刺激 |
| MEA 双向交互 | 证明了超材料 MEA 是一个既能记录又能刺激的“全光学”双向平台 |
与我们产品的关联（重点）
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| 3Brain HD-MEA (4096) | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 本文直接使用了 3Brain Biochip 4096E 作为记录平台。这证明了 HD-MEA 是研究新型神经调控技术（如光刺激）不可或缺的工具。它能同时提供高密度的“读取”能力，评估光刺激的“写入”效果。 |
| 3Brain 闭环刺激功能 | ⭐⭐⭐⭐ | 本文提到的闭环控制（记录->刺激）正是 3Brain 软件的高级功能之一，可用于癫痫抑制、心脏起搏等研究。 |
技术优势与局限
| 优势 | 局限 |
|---|---|
| 无标记，适用于任何细胞 | 超材料的制造工艺较复杂，成本可能较高 |
| 光刺激空间分辨率高 | 需要激光设备配合 |
| 结合 MEA 实现读写一体化 | 纳米材料的长期生物相容性需进一步评估 |
原文下载
📄 Bruno_2023_AdvSci_Plasmonic_Porous_Gold_Stimulation.pdf
参考文献
- Bruno G, et al. All-Optical and Label-Free Stimulation of Action Potentials in Neurons and Cardiomyocytes by Plasmonic Porous Metamaterials. Adv Sci. 2023.
- Miele E, et al. Plasmonic nanostructures for optogenetics. Nat Nanotech. 2015.
- Dipalo M, et al. 3Brain HD-MEA for optical stimulation recording. Front Neurosci. 2021.
转发语：突破光遗传学瓶颈！IIT 团队利用 3Brain HD-MEA 结合等离子体多孔金超材料，实现了神经元和心肌细胞的无标记、全光学精准刺激。无需基因转染，仅用近红外光即可精准控制细胞放电，为新型神经调控和心脏起搏技术提供了革命性平台。
联系人：李东伟
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