使用Chiaro納米壓痕儀表征麻醉劑對神經(jīng)元的作用機制

牛津大學(xué)工程科學(xué)系(Department of Engineering Science, University of Oxford)的Antoine Jerusalem團隊，在Communications Physics上發(fā)表的一項研究中，使用鈣成像和納米壓痕的定制實驗裝置來量化暴露于臨床濃度1%異氟醚氣體的背根神經(jīng)節(jié)衍生神經(jīng)元的放電活動和機械特性，來探究全身麻醉劑影響細胞微觀結(jié)構(gòu)和潛在力學(xué)的改變。他們發(fā)現(xiàn)異氟烷在不同的暴露階段同時動態(tài)地改變細胞粘彈性和功能活性。

神經(jīng)元的3種處理方式

1. 流動1%異氟烷氣體——為了量化每種處理隨時間對細胞的影響，在6個特定時間點進行測量：每次處理之前、期間15/30/45 min、之后30/45 min；

2. 鈣成像——用于測量細胞放電；

3. 微尺度動態(tài)機械分析(DMA)以不同的頻率用于測量全細胞（膜，主要是細胞骨架，可能還有細胞核）粘彈性。

證明異氟烷會改變單個神經(jīng)元的機械特性和放電活動，并且這些改變彼此線性相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)通過證明細胞機械結(jié)構(gòu)作為一個整體與麻醉暴露期間的功能改變有關(guān)，從而協(xié)調(diào)了提出解釋全身麻醉機制的不同理論。還通過證明動作電位是由細胞力學(xué)的協(xié)同和并發(fā)效應(yīng)定義和控制的，這對力學(xué)在電生理學(xué)中的作用具有更廣泛的影響。

異氟烷對神經(jīng)元放電的影響

鈣成像用于記錄顯微鏡視野內(nèi)每個神經(jīng)元的功能活動。根據(jù)功能活動測量計算放電細胞群的比例和放電事件的平均數(shù)量，以確定異氟烷對神經(jīng)元放電的影響。

異氟烷對神經(jīng)元力學(xué)的影響

使用六個不同頻率的動態(tài)力學(xué)分析(DMA)來測量異氟烷對神經(jīng)元粘彈性的影響。

神經(jīng)元粘彈性與放電之間的相關(guān)性

對神經(jīng)元放電的平均次數(shù)與平均神經(jīng)元、或在給定頻率下測量。對用異氟烷處理的細胞和流動空氣控制期間和之后時間點的數(shù)據(jù)進行回歸。

微尺度DMA

Optics11 Chiaro納米壓痕儀懸臂上的球?qū)悠肥┘诱袷幋碳?，神?jīng)元和懸臂的光學(xué)圖像如(a)所示；

單個DMA測量的代表性力-壓痕曲線如(b)所示：當(dāng)懸臂接近并壓痕細胞（藍）時，開始DMA（洋紅），懸臂被撤回（黑）。隨時間推移，也顯示了細胞所經(jīng)歷的力(c)和壓痕(d)，以及每個DMA頻率。藍色箭頭表示接觸點，即首先與細胞表面接觸的地方。

結(jié)論

異氟醚影響神經(jīng)元放電和粘彈性。在異氟醚的作用下，神經(jīng)元的放電被改變，而不是被抑制。這些發(fā)現(xiàn)與腦電圖測量結(jié)果一致。同時，異氟醚使神經(jīng)元E'和E''增加。與E'相比，E''的變化程度較小，且延遲15-30 min。這種延遲是細胞力學(xué)的特征，假設(shè)是由于細胞從一種能量狀態(tài)過渡到另一種能量狀態(tài)時，細胞骨架中的鍵結(jié)合/解結(jié)合動力學(xué)引起的。異氟醚以這種方式改變細胞力學(xué)的事實支持了全身麻醉劑影響細胞內(nèi)分子間相互作用的假設(shè)，并表明全身麻醉劑通過在系統(tǒng)水平上改變細胞熱力學(xué)來影響細胞活動。此外，觀察到的神經(jīng)元放電和tanδ變化之間的線性相關(guān)表明神經(jīng)元放電和力學(xué)是耦合的。

Action of the general anaesthetic isoflurane reveals coupling between viscoelasticity and electrophysiological activity in individual neurons

doi: 10.1038/s42005-023-01252-7