[論文レビュー] Ex-vivo detection of neural events using THz BioMEMS

Abdennour Abbas, Thomas Dargent+3 more|PubMed|Nov 26, 2009

Terahertz technology and applications参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、テラヘルツ（THz）バイオMEMSを用いて、非侵襲的かつリアルタイムに、生体外での神経生化学的イベントを検出することを実証した。ポリジメチルシロキーン（PDMS）-ガラスマイクロフラウドチックチップにレジオの中枢神経系を統合し、共面波ガイドを備えることで、損傷後の亜鉛酸化窒素合成酵素（NOS）活性に起因する、THz透過率の測定可能な低下（0.14–0.22 THz）を観察した。この低下はL-NAMEによる可逆的阻害によっても確認され、THz分光法が神経生化学的ダイナミクスに感受性であることを裏付けた。

ABSTRACT

It was demonstrated that THz spectroscopy can detect a biochemical event, such as NOS activity around an injured leech's nerve cord, in real time. Future studies will be dedicated to quantitative measurements of the reaction products using the sophisticated management of several drugs allowed with microfluidic microsystems.

研究の動機と目的

• 生体外神経組織における生化学的イベントを非侵襲的かつリアルタイムに検出するための手法を開発すること。
• 自由空間THz分光法の限界（水分吸収や空間分解能の低さ）を克服するため、統合型バイオMEMSを用いること。
• 神経損傷モデルにおける亜鉛酸化窒素合成酵素（NOS）活性をTHz波でモニタリングする可能性を実証すること。
• L-NAMEを用いた薬理学的阻害によって、観察された信号の特異性を検証すること。
• 今後の反応生成物の定量的分析のための、マイクロフラウドチック薬物投与を統合したプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 生体組織統合のためのマイクロチャネルを形成する目的で、ガラスウェーパー上にパッドを密封したポリジメチルシロキーン（PDMS）を用いてバイオMEMSデバイスを製作した。
• THz波（0.14–0.22 THz）をサンプルを通過させるために、ガラス基板上に共面波ガイド（CPW）を統合した。
• 神経損傷および薬物暴露の間、周波数範囲内で透過係数（S21）を測定するためにベクトルネットワークアナライザー（VNA）を用いた。
• 損傷によってNOS活性化および亜鉛酸化窒素（NO）産生が誘発されるため、ヘリクスの中枢神経系を生体外生物学的モデルとして用いた。
• NOS阻害剤であるL-NAMEをマイクロチャネルに注入し、THz信号変化の特異性を検証した。
• THz波の分子的およびイオン的変化への感受性を活用し、生化学的活性の代理指標としてTHz透過率の変化をモニタリングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 THz波は生体外神経損傷に関連するリアルタイムな生化学的変化を検出可能か？
• RQ2 マイクロフラウドチックバイオMEMスプラットフォームを通るTHz波の透過率は、損傷した神経組織におけるNOS活性化に応じて変化するか？
• RQ3 特異的NOS阻害剤（L-NAME）を用いてTHz信号変化を薬理学的に逆転できるか？
• RQ4 観察されたTHz信号変化はNOS活性に特異的であるか、非生物学的要因に起因するものか？
• RQ5 この統合型バイオMEMス-THzプラットフォームは、将来的に定量的神経生化学モニタリングのスケーラブルな基盤として機能できるか？

主な発見

• ヘリクス神経索への損傷後に、0.14–0.22 THz範囲でTHz透過係数（S21）に測定可能な低下が観察された。
• 透過率の低下は、損傷組織におけるNOS活性の増加およびそれに続く亜鉛酸化窒素の産生に起因するとされた。
• マイクロチャネルにL-NAMEを注入することで、透過率変化が逆転した。これにより、信号がNOS活性に依存していることが確認された。
• PDMS-ガラスバイオMEMスプラットフォームは、安定したTHz波伝搬および生物学的サンプル統合を成功裏に実現した。
• 制御されたマイクロフラウドチック環境下で、THz分光法を用いて神経生化学的イベントを非侵襲的かつリアルタイムに検出する能力が示された。
• 結果は、今後の神経変性マーカーの定量的モニタリングに向けた統合型THzバイオMEMスの可能性を裏付けた。