一种自聚焦透镜用于脑区成像的包被方法技术

本发明专利技术公开了一种自聚焦透镜的双层包被方法，属神经生物学研究领域。目前在活体动物深部脑区单光子荧光成像需要自聚焦透镜的长期埋置，但多数品牌的自聚焦透镜产品有有毒物质残留限制其应用。针对以上问题，本发明专利技术运用双层包被的方法隔绝自聚焦透镜与脑组织的直接接触并提高其组织相容性，从而实现在自由活动动物上长达数周的荧光成像。本发明专利技术的用途为深部脑区成像研究提供更广阔的自聚焦透镜选择范围，打破低毒性自聚焦透镜的垄断，无需安装额外元件造成更大的组织损伤，成本低廉，循环使用性能好，具有非常广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种自聚焦透镜用于脑区成像的包被方法
本专利技术属于神经科学成像领域。更具体地，本专利技术涉及一种提高用于深部脑区成像的自聚焦透镜生物亲和性的包被方法。
技术介绍
脑中的万亿个神经元通联结形成的神经网络是所有感知、学习、思维、情绪等高级功能的物质基础。大脑神经网络编码规律的解析不仅有助我们了解大脑如何感知外界信息，还对人工智能技术进步，开发新一代人脑侵入性装置至关重要。大脑中神经元之间的信息编码主要通过动作电位发放的时间和空间变化来完成。传统电生理记录技术虽然可达到单细胞空间尺度和毫秒级时间尺度的分辨率，但由于同一脑区存在多种类型神经元，使该技术无法确定记录的神经元属于哪种类型。计算机体层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层扫描(PET)等无创性影像学技术的发展，使得人类对于大脑创伤和疾病的治疗提供了有效的参考工具，但空间分辨率很差，只能反应一群神经元的整体发放水平。为打破尺度壁垒,整合微观神经元活动与大脑整体的活动和个体行为信息，科学家开发出多种钙离子浓度敏感的荧光探针，进而通过荧光信号的变化来反映出神经活动。利用转基因技术和病毒转染表达控制钙敏荧光蛋白在特定脑区特定类型神经元内表达，加上光学成像本身具有高分辨率、高通量(高速)、低毒性等特点，使得我们能够在活体状态下对大量神经元进行动态观察。这就使得在体钙荧光成像技术成为了无可替代的，神经生物学家现今最为重要的技术手段之一。然而大脑是一个高度复杂的非透明器官，充斥着丰富的血管网，外面还包裹着脑膜。由于被观测的信号会受到大脑组织的散射和吸收，传统荧光显微镜只能对数百微米左右深度的组织成像。双光子显微镜依靠其特有的非线性光学特性可以穿透更深的组织，但对于超过1.5毫米厚的组织依然无法成像。小鼠的大脑皮层有将近1毫米的厚度，海马等深脑区核团更是深达数毫米。而大型哺乳动物如猴仅皮层就有数毫米厚。这些都导致目前的在体钙荧光成像仅限于大脑的表层细胞，例如大脑皮层的上层细胞。自聚焦透镜(GRINlens，梯度折射率透镜)是光学折射率分布从中心向外周部折射率减少的圆柱形透镜，它可将透镜一侧的光信号成像到透镜另一侧。因此，可以通过将自聚焦透镜埋置于需要成像的深部脑区上方实现深部脑区细胞的在体钙荧光成像。这一技术进一步结合微型荧光显微成像系统(将传统荧光显微镜微型化到大约2克重)，科学家可以实现在自由运动的动物上同时进行行为学测试和记录深部脑区的神经网络的发放模式。自聚焦透镜的工业生产多利用离子置换法。由于氧化亚铊(Tl2O)的电极化率大易于离子交换，因此大多自聚焦透镜生产公司所用的透镜玻璃原料中含有超过30％的氧化亚铊(Tl2O)。残留的铊等有毒离子会对脑组织细胞产生毒害作用(图2)。而透镜附近神经元受损会导致最终荧光成像的失败，这极大限制了微型荧光显微成像系统的发展。德国Grintech公司利用其独有专利银锂交换技术生产的自聚焦透镜没有毒害残留，已被脑科学家用于脑部成像研究中。然而该产品很难获得，必须购买美国Inscopix公司的成像系统才能配套购买此透镜。同样生产商业微型荧光显微镜加拿大Doric公司采取的策略是在透镜外包裹玻璃井，然而每个井的售价高达数百美元，而且增加了额外的组织损伤及手术复杂度。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术人经过深入研究，为了克服常见的自聚焦透镜的上述缺陷，提供了一种更低成本(每个透镜的成本仅仅提升约7元)的消除毒性、提高生物亲和性的方法，该方法无需额外配件，包被后仅增加例如10μm的厚度，成像质量达到GrinTech公司的自聚焦透镜水平。整个操作过程简单、条件温和、绿色环保，为广大研究者提供了更广阔的自聚焦透镜选择范围，从而实现深部脑区的荧光钙信号成像。因此，本专利技术的一个目的是提供一种具有双层包被层的植入物，其中第一层包被层用于隔绝所述植入物在植入生物体内时与生物体组织的接触，和第二层包被层包被在所述第一层包被层之上并且由生物相容性材料组成，所述第二层包被层用于防止第一层包被层(隔绝材料)的非极性导致的血管生长障碍。通过本专利技术的双层包被层，降低了自聚焦透镜的生物毒性。在一个实施方案中，所述植入物为自聚焦透镜，优选所述自聚焦透镜为含有有毒离子(例如铊)的(圆柱形)自聚焦透镜。本领域技术人员公知，自聚焦透镜作为植入物，可用于将脑深部的光学图像成像于大脑表面。因此，在本专利技术的一个优选实施方案中，所述自聚焦透镜用于植入脑部进行脑深部成像。在一个实施方案中，所述第一层包被层是由化学惰性且生物不可降解的材料组成，优选是透明的。所述第一层包被层用于隔绝自聚焦透镜和大脑组织的接触，防止例如自聚焦透镜中所含的有毒物质扩散入大脑。在一个优选实施方案中，所述第一层包被层的材料选自由以下组成的组：聚二甲苯类、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚氯乙烯(Polyethylene，PVC)、丙烯酸树脂、聚四氟乙烯、有机硅高分子材料和聚氨酯(polyurethane，PU)，特别是为聚二甲苯类有机涂层，优选选自由以下组成的组：聚对二甲苯(ParyleneN)、聚一氯对二甲苯(ParyleneC)、聚二氯对二甲苯(ParyleneD)或它们的组合，其结构式分别如下所示：优选三者各自的分子量范围为104-106道尔顿。在本专利技术一个优选实施方案中，所述第一层包被层的厚度为1-50微米，优选5-40微米，更优选10微米。在一个实施方案中，所述第二层包被层为纤连蛋白(fiberonectin)包被层。纤连蛋白是一种细胞外基质中含有的高分子糖蛋白，可大大提高第一层包被层如聚一氯对二甲苯包被后透镜的组织相容性。在本专利技术一个优选实施方案中，所述纤连蛋白的包被浓度为1-200μg/ml，优选25-50μg/ml，更优选30-40μg/ml。本专利技术的另一个目的是提供一种制备根据以上所述的植入物的方法，所述方法包括依次用所述第一层包被层和所述第二层包被层包被所述植入物。在一个实施方案中，所述植入物为圆柱形自聚焦透镜，所述第一层包被层包被该自聚焦透镜的底面和大部分侧面，优选通过气相沉积的方法形成第一层包被层；和/或所述第二层包被层是通过将纤连蛋白溶液(优选浓度25-50μg/ml)与透镜充分接触来形成的，优选包被时间为0.5-24小时(最优选2小时)。在一个优选实施方案中，包被第二层包被层时可放置在室温环境(20-25摄氏度)中，并用摇床保证溶液和透镜间充分接触。在一个优选实施方案中，纤连蛋白用无菌的磷酸缓冲液(PBS)进行稀释。纤连蛋白包被浓度为1-200μg/ml，优选浓度为25-50μg/ml，更优选浓度为30-40μg/ml。根据本专利技术的第一层包被层的自聚焦透镜可以长期保存(>1年)，而经过双层包被层的自聚焦透镜最优是使用前新鲜包被，但也可以提前包被后放置在无菌的生理盐水溶液中保存，并且可以稳定保存达2天。本专利技术另一个目的是使用根据本专利技术的具有双层包被层的自聚焦透镜进行脑区成像的方法，所述方法包括：(1)将根据本专利技术的自聚焦透镜植入目标生物体的脑区中；(2)采用在体(invivo)钙荧光成像技术，通过所述自聚焦透镜获得脑区成像。所述目标生物体的脑区(如纹状体神经元)可表达钙敏荧光蛋白。本专利技术人在小鼠上测试经过聚一氯对二甲苯包被的自聚焦透镜(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有双层包被层的植入物，其中第一层包被层用于隔绝所述植入物在植入生物体内时与生物体组织的接触，第二层包被层包被在所述第一层包被层之上并且由生物相容性材料组成。

【技术特征摘要】
1.一种具有双层包被层的植入物，其中第一层包被层用于隔绝所述植入物在植入生物体内时与生物体组织的接触，第二层包被层包被在所述第一层包被层之上并且由生物相容性材料组成。2.根据权利要求1所述的植入物，其中所述植入物为自聚焦透镜，包括含有有毒离子(例如铊)的自聚焦透镜。3.根据权利要求2所述的植入物，其中所述自聚焦透镜用于植入脑部进行脑深部成像。4.根据权利要求1-3中任一项所述的植入物，其中所述第一层包被层是由透明的，化学惰性且生物不可降解的材料组成，优选选自由以下组成的组：聚二甲苯类、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚氯乙烯(Polyethylene，PVC)、丙烯酸树脂、聚四氟乙烯、有机硅高分子材料和聚氨酯(polyurethane，PU)。5.根据权利要求4所述的植入物，其中所述第一层包被层为聚二甲苯类有机涂层，优选选自由以下组成的组：聚对二甲苯(ParyleneN)、聚一氯对二甲苯(ParyleneC)、聚二氯对二甲苯(ParyleneD)或它们的组合，其结构式分别如下所示：优选各自的分子量范围为104-106道尔顿。6.根据权利要求5所述的植入物...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨昱鹏，张立风，王珍妮，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34