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Jun 15, 2023

해리된 망막 뉴런 및 신경교 행동에 대한 공간적 제한의 효과를 연구하기 위한 프랙탈 전극과 그리드 전극의 비교

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 17513(2022) 이 기사 인용

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전극의 기하학적 구조와 재료 구성이 망막 세포의 생존과 행동에 미치는 영향을 이해하는 것은 기본적인 세포 연구와 신경 조절 응용 분야 모두에서 중요합니다. 우리는 C57BL/6J 마우스의 해리된 망막 세포가 이산화규소 기판에서 성장한 수직 정렬 탄소 나노튜브로 만들어진 전극과 어떻게 상호 작용하는지 조사합니다. 우리는 서로 다른 정도의 공간적 제한을 갖는 전극, 특히 전극 사이에 연결된 간격과 연결되지 않은 간격을 특징으로 하는 프랙탈 전극과 그리드 전극을 비교합니다. 두 전극 모두에서 뉴런 프로세스는 주로 간격 표면이 아닌 전극에 축적되며 이러한 동작은 그리드 전극에서 가장 강력하다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 그리드 전극 간격의 '폐쇄' 특성은 신경교가 간격 표면을 덮는 것을 방지합니다. 그리드에 대한 신경교 범위의 부족은 신경 생존과 전기 활동에 장기적으로 해로운 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 대조적으로, 프랙탈 전극 내의 상호 연결된 간격은 신경교 범위를 촉진합니다. 우리는 두 전극에 대한 서로 다른 세포 반응을 설명하고 전극과 상호 작용할 때 뉴런과 신경교 모두의 긍정적인 반응을 최대화하는 최적의 기하학이 있다고 가정합니다.

인간의 신경계 세포와 상호 작용하도록 설계된 인공 장치에 대한 근본적인 이해를 얻는 데 대한 관심이 높아지고 있습니다. 이러한 장치를 체내에 이식하면 색소성 망막염 및 연령 관련 황반변성이 시각 시스템의 일반적인 예가 되는 등 다양한 신경퇴행성 질환의 진단 및 치료에 잠재적으로 중요한 응용 분야가 있습니다1,2,3,4,5,6 7. 뉴런을 자극하는 전극을 갖춘 장치의 경우 전극 설계는 신경교세포와의 상호작용도 수용해야 합니다. 뉴런과 신경 교세포는 비슷한 시기에 발견되었지만, 후자에 대한 연구는 중추 신경계에 널리 퍼져 있고9 신경 네트워크 구조와 기능을 제어하는 ​​데 중심적인 역할을 하고 있음에도 불구하고 추진력을 얻는 데 속도가 더 느렸습니다8. 의료 기기의 성능을 향상시키는 것 외에도 전극에 대한 두 세포 유형의 반응 차이를 탐색하면 기본적인 망막 세포 동작과 해당 동작을 제어할 수 있는 정도를 조사하는 데 사용할 수 있습니다.

신경교의 존재를 제어하는 ​​전략은 긍정적인 영향과 부정적인 영향의 균형을 맞춰야 합니다. 신경교세포의 염증 반응 및 기타 반응은 임플란트 삽입과 신경 조직에 대한 미세 움직임11,12,13,14,15 및 기계적 특성(예: 강성)과 조직의 불일치로 인해 유발될 수 있습니다16,17 . 이러한 효과는 전극을 표적 뉴런에서 분리하고 자극력을 저하시키는 신경교 '상처'를 만들 수 있습니다. 반면에 신경교를 완전히 제거하는 것을 목표로 하는 기술은 신경 생존, 건강 및 전기 활동에 장기적으로 부정적인 영향을 미칠 것입니다. 이는 교세포가 뉴런의 생명 유지 시스템 역할을 하고, 이동을 위한 자연스러운 물리적 신호를 제공하고, 기능을 조절하고, 건강을 유지하고, 시냅스 효능을 향상시키는 데 도움이 되기 때문입니다.

신경교 반응을 제어하는 ​​전략을 동시에 구현하여 최소 침습성 임플란트를 만들 수 있습니다. 여기에는 임플란트 크기 감소25, 기계적 불일치 감소17, 표면 다공성 강화26,27, 생체 모방 또는 생체 활성 코팅으로 임플란트를 덮어 잠재적으로 이물질 반응으로부터 숨기는 것이 포함됩니다. 예를 들어 리소그래피를 사용하여 나노 거칠기 또는 마이크로 접촉 인쇄를 도입하여 표면의 물리적 구조를 수정하면 교세포 반응을 줄이는 등 다양한 목적으로 세포 부착 및 안내를 제어하는 ​​데에도 사용되었습니다.