ニューロンシグナル伝達と機械間のインターフェースの変調における電子から化学的翻訳のための有機バイオエレクトロニクス

背景：神経系のインターフェイスを作成する際の主要な課題は、神経系（イオンと神経伝達物質）のシグナルキャリアと従来の電子機器（電子）の信号キャリアとの間を翻訳することです。 レビューの範囲：有機共役ポリマーは、電子とイオンの両方を電荷キャリアとして利用するユニークなクラスの材料を表しています。これらの材料に基づいて、電子コンポーネントと生物システムの間に一連の新しい通信インターフェイスを確立しました。このレビューで提示された有機電子イオンポンプ（OEIP）は、ポリマー - ポリエレクトロラリット系ポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）で作られています。OEIPは、電子信号をイオンおよび神経伝達物質の電気泳動移動に変換します。 主要な結論：イオンおよび神経伝達物質の時空間的に制御された送達を使用して、対流障害のない神経細胞の細胞内Ca（2+）シグナル伝達を調節する方法を示します。送達の電子制御により、Ca（2+）応答の振幅や頻度などの動的パラメーターの厳密な制御が可能になり、自然に発生するCa（2+）振動を模倣する時間的パターンを生成するために使用できます。イオン信号のさらなる制御を可能にするために、電子信号を増幅および/または切り替えるために使用される従来のトランジスタのアナログである電気泳動化学トランジスタを開発しました。最後に、in vivoでの脳幹応答を調節することにより、新しい「機械間」インターフェースでのOEIPの使用を実証します。 一般的な重要性：このレビューは、細胞生理学を制御するための複雑で高解像度の信号パターンを生成する際の共役ポリマーに基づいた通信インターフェイスの可能性を強調しています。生物医学研究および複数の治療分野内の将来の医療機器におけるこれらのデバイスの広範なアプリケーションを予測しています。この記事は、バイオメディシンにおける有機バイオエレクトロニクスノベルアプリケーションというタイトルの特別号の一部です。

BACKGROUND: A major challenge when creating interfaces for the nervous system is to translate between the signal carriers of the nervous system (ions and neurotransmitters) and those of conventional electronics (electrons). SCOPE OF REVIEW: Organic conjugated polymers represent a unique class of materials that utilizes both electrons and ions as charge carriers. Based on these materials, we have established a series of novel communication interfaces between electronic components and biological systems. The organic electronic ion pump (OEIP) presented in this review is made of the polymer-polyelectrolyte system poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS). The OEIP translates electronic signals into electrophoretic migration of ions and neurotransmitters. MAJOR CONCLUSIONS: We demonstrate how spatio-temporally controlled delivery of ions and neurotransmitters can be used to modulate intracellular Ca(2+) signaling in neuronal cells in the absence of convective disturbances. The electronic control of delivery enables strict control of dynamic parameters, such as amplitude and frequency of Ca(2+) responses, and can be used to generate temporal patterns mimicking naturally occurring Ca(2+) oscillations. To enable further control of the ionic signals we developed the electrophoretic chemical transistor, an analog of the traditional transistor used to amplify and/or switch electronic signals. Finally, we demonstrate the use of the OEIP in a new "machine-to-brain" interface by modulating brainstem responses in vivo. GENERAL SIGNIFICANCE: This review highlights the potential of communication interfaces based on conjugated polymers in generating complex, high-resolution, signal patterns to control cell physiology. We foresee widespread applications for these devices in biomedical research and in future medical devices within multiple therapeutic areas. This article is part of a Special Issue entitled Organic Bioelectronics-Novel Applications in Biomedicine.