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线虫强身健体神器——声波健身馆

2023-04-25 18:14

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有规律的体育锻炼有助于延迟和减缓神经退行性疾病的症状,但是能提供神经保护的最佳体育锻炼条件及运动相关的因素仍然未知。秀丽线虫作为一种研究各种神经退行性疾病(例如:PD、AD以及其他Tau病理疾病)的优秀模型,其在伴随衰老相关的多组织或身体机能下降研究方面有着优秀的成果。此前也有关于线虫通过在液体中的游泳锻炼获得有益效果的研究报道。然而,当前线虫的锻炼方法主要依靠的是每天长达数小时的被动游泳模式,这个过程不仅相对耗费实验者的劳力和时间,同时被动游泳锻炼模式并不能控制线虫锻炼强度。为了确定最有益于动物健康的特别运动量,美国州立科罗拉多大学Ding Xue & Xiaoyun Ding研究团队开发了一种基于声波推动液体流动的“声波健身馆”(Acoustic Gym)芯片。它可以通过表面声波(Surface Acoustic Wave,SAW)微流体技术精确控制模式生物游泳运动的持续时间和运动强度。

Acoustic Gym平台整合了微流体系统,可以刺激大量线虫在限定条件下的健身强度和健身时间。Acoustic Gym通过优化最佳的运动条件,在不同神经退行性疾病的线虫中提升了神经元健康程度。利用Acoustic Gym能有效地筛选增强轻度锻炼有益效果的潜在化学药物。下面由小编为大家简单介绍一下Acoustic Gym以及在线虫神经退行性疾病中的应用。




声波健身馆的设计和工作原理

SAW微流控设备由如下设备(如图1)组成:1)PDMS内室——它是置于中间,由聚二甲硅氧烷(PDMS)材料构成的环形内室,在内室中可注入液体。2)IDTs电极——错开放置在PDMS内室两侧的叉指式换能器(interdigital transducers),通过电极产生的逆电压效应使材料发生形变,从而产生SAW。3)LiNBO3基板——铌酸锂(LiNBO3)晶体是一种重要的功能材料,主要用于铁电、压电、电光、声光和非线性光学,可制作调制器及开关,带通滤波器、延迟器、倍频器和参量振荡器等。同时,铌酸锂晶体也被广泛应用于光电调节器及波导材料。

图1  Acoustic Gym的示意图和工作原理

通过射频源发出18MHz的声波,产生的SAW通过LiNBO3基板传播到PDMS内室。SAW一旦达到PDMS内室,由于声波沿液体传播速度与依靠基板传播速度之间的差异,导致部分声波能量传导到流体中。这引发在内室中的液体产生一个顺时针方向的声波流(如下视频)。该声波流可以通过控制射频源输入的信号强弱精确控制流速。

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视频1 在PDMS内室中由SWA驱动的液体流动




声波流的特性和温度控制

研究团队测试了设备的可控性,由于线虫对温度升高变化较为敏感且适应的温度条件较低,研究者们测定了PDMS内室中液体流速的分布情况以及声波引起的液体温度升高变化(如图2)。开发者通过控制射频源信号优化PDMS内室流速以及液体温度以至于不影响到线虫的存活率,最终确定0.125-W以及50%占空比(duty cycle)能提升线虫运动过程中的弯曲频率,且不影响线虫的存活率。

图2  A-B声波引起的液体流速变化和温度变化;C-D提升线虫的运动弯曲频率,且不影响存活率




适当的SAW持续时间及强度可增强神经保护

为了调查运动对神经元的保护效果,开发者分别对PD线虫模型UA44(baIn11 [Pdat-1::α-syn/Pdat-1::GFP])和Tau模型线虫BR5707(byIs161[Prab-3::F3ΔK280; Pmyo-2::mCherry]; bkIs10[Paex-3::h4R1NTauV337M; Pmyo-2::GFP]; juIs73[Punc-25::GFP] III)进行每天5min、0.125-W以及50%占空比的运动控制。结果显示经过在Acoustic Gym锻炼的PD模型线虫明显降低DA神经元丢失的比例(如图3)以及Tau模型线虫中腹神经索的断点(如图4)。但是太短的锻炼时间(2min)以及太长时间(10min)均对锻炼没有起到显著效果。

图3  在Acoustic Gym中锻炼对PD模型线虫的影响

图4  在Acoustic Gym中锻炼对Tau模型线虫的影响

神经退行性疾病在老年群体中相对普遍,且发病较严重。对于老年人,尤其是PD患者,随着其身体机能下降,其有规律的锻炼能力和意愿也随之降低。强制锻炼方式能降低PD相关的运动症状,但是强制锻炼必须受到专业训练的管理。即使是对年轻和健康的人来说,想要找到最佳锻炼方式也是一项不太容易的工作。对于一个患者,在设计一个最佳的锻炼方式以延缓神经退行性疾病发生之前,我们需要考虑对患者采用的锻炼类型及其身体能力。而且,对部分人理想的锻炼方式可能对其他人是有害的。将秀丽线虫与Acoustic Gym结合将打造一个用于遗传筛选、RNAi筛选、RNA-seq分析和蛋白组分析鉴定相关基因的理想平台。该平台的优点是可结合高通量筛选,能有效地促进增强轻度锻炼有益效果的化学药物的筛选工作;如身体条件不允许,甚至能替代必要的锻炼方式。


/ 参考文献/

[1] Bhadra J, Sridhar N, Fajrial AK, Hammond N, Xue D, Ding X. Acoustic streaming enabled moderate swimming exercise reduces neurodegeneration in C. elegans. Sci Adv. 2023;9(8):eadf5056. doi:10.1126/sciadv.adf5056


[2] Herndon LA, Schmeissner PJ, Dudaronek JM, et al. Stochastic and genetic factors influence tissue-specific decline in ageing C. elegans. Nature. 2002;419(6909):808-814. doi:10.1038/nature01135


[3] Huang C, Xiong C, Kornfeld K. Measurements of age-related changes of physiological processes that predict lifespan of Caenorhabditis elegans. Proc Natl Acad Sci U S A. 2004;101(21):8084-8089. doi:10.1073/pnas.0400848101


撰稿:卞文印

审核:陈岚彬

编辑:刘乐丰