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前沿进展 | 一种无线植入式脑组织氧含量监测技术

发布:wyxfjh阅读:306时间:2024-2-2 11:00:13

      “前沿进展”栏目,旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文,促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

 

01 导读

      近日,清华大学盛兴、北京理工大学丁贺和首都医科大学宣武医院赵国光共同合作开发了一种植入式微型光电探针,可在自由活动的动物深层脑组织中实现无线、连续、实时的脑组织氧分压监测,揭示了对癫痫状态下动物脑内神经活动与局部氧代谢的耦合规律。研究成果以“A wireless optoelectronic probe to monitor oxygenation in deep brain tissue”于2024年1月24日发表在Nature Photonics期刊上。

 

02 研究背景

      氧气是人体新陈代谢的关键物质,乏氧会影响全身各个系统的代谢与功能,导致组织出现功能性和器质性损伤,因此机体氧的状况是临床实验中备受关注的生命指标。组织氧分压揭示了器官组织中最终可用的真实氧含量,与呼吸的氧气浓度、肺部血流进行气体交换的效率、到达相关组织的含氧血液量以及组织消耗氧气速度等因素息息相关,是体内氧循环的最终结果。大脑是对氧气最敏感的器官,脑组织中的氧含量直接影响大脑的代谢功能和功能完整性,并与颅内创伤、癫痫、肿瘤等脑疾病状态密切相关。与近红外光谱、功能磁共振等技术所获得的血氧信息相比,组织氧分压与局部神经活动和代谢过程有着更加密切的联系。如何实时、准确、便捷、原位地监测脑组织氧分压,并解析其与神经活动的相互作用关系,是脑科学基础研究和脑疾病临床诊疗中的关键问题。

 

03 研究创新点

      本工作基于“激发–传感–响应–无线传输”的光学机制,通过设计制备微型薄膜式发光二极管(LED)、光电探测器和氧气敏感的磷光涂层,实现高度集成的微型植入式光电探针,并利用氧气对铂系金属配合物的磷光猝灭作用实现氧分压检测。此外,研究团队开发了微型柔性电路用于无线能量与信号传输,配合氧分压检测探针,实现全植入式的光电氧分压传感系统。该新型全植入式传感系统的研制,将突破无法记录深脑组织氧变化的技术瓶颈,为研究生物机体在特定病理状态下氧含量的全面评估提供支持。

图1 无线植入式组织氧传感的系统设计:(a)电路框架图;(b)实物图;(c)不同氧含量状态下探针磷光强度的对比

      以啮齿类动物(小鼠等)为模型,通过微创方式植入动物脑部,实现对动物深部脑区的氧分压无线动态监测,在改变吸入氧气浓度、颈动脉结扎、麻醉等情况下记录了脑组织氧分压的变化规律。

图2(a)采用线圈设计的磁共振无线供电方式,驱动全植入小鼠脑内的传感电路系统,(b)记录在不同氧含量环境中动物脑组织氧分压的变化过程

      在电刺激小鼠海马脑区诱导癫痫的模型中,测得了癫痫放电之后海马、皮层等不同脑区显著的乏氧状态。与电生理记录结合,同步监测癫痫过程中的神经电活动与局部组织氧分压变化, 探索了氧气在脑神经异常活动过程中的作用与机理,以及局部神经活动与氧代谢的耦合规律。

图3 无线氧分压检测系统在小鼠癫痫放电状态下检测海马区的氧含量动态变化

 

04 总结与展望

      这种无线、实时、原位的动态脑组织氧分压监测技术,不仅实现了精准、原位脑组织氧分压的监测方法,而且解决了商用的光电元器件面临体积大、有线连接、便携性差和生物相容性差等困扰,为深入探索氧代谢过程与神经活动以及脑疾病状态的关系提供了有效的工具。

      本论文共同第一作者为清华大学电子系博士生蔡雪、北京理工大学光电学院硕士毕业生张海舰、首都医科大学宣武医院魏鹏虎副教授和博士生刘全磊。合作者来自清华大学电子系、材料学院、北京理工大学、首都医科大学宣武医院、中央民族大学等单位。该研究获得了北京市基金、国家自然科学基金、科技部、北京市科技新星等项目支持。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41566-023-01374-y

 

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编辑 |韩峰