使用Chiaro納米壓痕儀表征麻醉劑對神經(jīng)元的作用機制

牛津大學工程科學系(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的協(xié)同和并發(fā)效應(yīng)定義和控制的，這對力學在電生理學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)元力學的影響

使用六個不同頻率的動態(tài)力學分析(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┘诱袷幋碳ぃ窠?jīng)元和懸臂的光學圖像如(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)合動力學引起的。異氟醚以這種方式改變細胞力學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