망막신경절세포의 광열신경자극 이론적 검증을 위한 TRPV4 채널 모델링 (Modeling of TRPV4 Channel for Theoretical Analysis of Photothermal Neural Stimulation of Retinal Ganglion Cells)

서지정보

· 발행기관 : 대한전자공학회
· 수록지 정보 : 전자공학회논문지 / 59권 / 10호 / 111 ~ 118페이지
· 저자명 : 이재욱, 조성훈, 성경모, 엄경식

초록

망막색소변성증(Retinistis pigmentosa)과 나이관련황반변성(Age-related macular degeneration)은 실명을 일으키는 대표적인 신경성 안질환이다. 시력 회복을 위한 다양한 치료법들 가운데 망막 보철은 손상되지 않은 망막 신경들의 활동을 조절하여 환자들의 시력이 일부 회복되는 것으로 알려졌다. 최근, 금나노입자에 의한 망막신경절 세포의 광열 활성화가 제안되었으며, 실험 동물을 통한 시력 회복이 입증되었다. 하지만, 망막신경절 세포의 안전하고 효과적인 자극을 위한 최적의 자극 매개변수는 아직 파악되지 않았다. 본 논문에서는 온도에 예민한 TRPV4 채널을 포함한 6종류의 이온 채널을 가지는 망막 신경절 세포를 모델화한다. 호치킨 헉슬리(Hodgkin-Huxley) 모델을 사용하여 플라즈몬 금나노입자와 결합된 광학 자극에 의한 망막 신경절 세포의 움직임을 수치적으로 분석하였다. 이를 통해 TRPV4 채널 전류와 진상 전류가 상승적으로 막 전위를 증가시켜 망막신경절 세포의 활성되는 것을 확인하였다. 이 때, 자극 역치는 2.1 ℃의 온도 상승을 야기하는 1.26 W/mm2 로 밝혀졌다. 본 연구의 망막신경절 세포의 광열 신경 활성화에 대한 이론적 모델링은 망막 보철의 최적화된 자극 매개변수를 쉽게 결정할 수 있는 가능성을 열어준다.

영어초록

Retinistis pigmentosa and age-related macular degeneration are the representative neurological eye diseases that cause blindness. Among various treatments for visual restoration, retinal prosthesis is known to restore partial vision of these patients by modulating neuronal activities of intact retinal neurons. Recently, gold nanoparticle-mediated photothermal activation of retinal ganglion cell has been proposed and demonstrated its visual restoration in the experimental animals. However, the optimized stimulation parameters for safe and effective stimulation of retinal ganglion cells have not been performed. In this paper, we modeled a retinal ganglion cell containing six different ion channels including the temperature sensitive TRPV4 channel. Using Hodgkin-Huxley model we numerically analyzed the behavior of retinal ganglion cell upon photothermal stimulation combined with plasmonic gold nanoparticle. We found that TRPV4 channel current and capacitive current both synergistically increase the membrane potential to activate the retinal ganglion cell. The stimulation threholds were determined as 1.26 W/mm2 which leads to temperature elevation of 2.1 ℃. Theoretical modeling of photothermal neural activation of retinal ganglion cell opens up the possibilities for easy determination of optimal stimulation parameters for retinal prosthesis.

참고자료

· 없음