The light-dependent pseudo-capacitive charging of conjugated polymer nanoparticles coupled with the depolarization of the neuronal membrane

文献情報

出版日 2023-11-25
DOI 10.1039/D3CP04386J
インパクトファクター 3.676
著者

Riccardo Sacco, Grazia Pertile


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要旨

The mechanism underlying visual restoration in blind animal models of retinitis pigmentosa using a liquid retina prosthesis based on semiconductive polymeric nanoparticles is still being debated. Through the application of mathematical models and specific experiments, we developed a coherent understanding of abiotic/biotic coupling, capturing the essential mechanism of photostimulation responsible for nanoparticle-induced retina activation. Our modeling is based on the solution of drift-diffusion and Poisson–Nernst–Planck models in the multi-physics neuron-cleft-nanoparticle-extracellular space domain, accounting for the electro-chemical motion of all the relevant species following photoexcitation. Modeling was coupled with electron microscopy to estimate the size of the neuron-nanoparticle cleft and electrophysiology on retina explants acutely or chronically injected with nanoparticles. Overall, we present a consistent picture of electrostatic depolarization of the bipolar cell driven by the pseudo-capacitive charging of the nanoparticle. We demonstrate that the highly resistive cleft composition, due to filling by adhesion/extracellular matrix proteins, is a crucial ingredient for establishing functional electrostatic coupling. Additionally, we show that the photo-chemical generation of reactive oxygen species (ROS) becomes relevant only at very high light intensities, far exceeding the physiological ones, in agreement with the lack of phototoxicity shown in vivo.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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