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波士顿大学杨辰团队研究成果:具有神经激活和再生功能的丝蛋白组织支架
    神经损伤可由一系列神经退行性疾病和外科创伤引起,这些损伤极大地降低了患者的生活质量,并造成感觉丧失,运动功能丧失和长期的神经疼痛等一系列影响。因此,神经组织的再生和修复一直是领域内的热点科学课题。近年来发展到神经组织支架是很有前景的一种方法。神经组织支架可以提供对神经组织的生长、黏附及分化适宜的微环境,加快营养和生长因子的输运。它在周围神经修复方面取得了一定的成功。为了进一步提高修复效果,科学家们在现有的神经支架功能基础上做了各种尝试,比如增加支架的电导性,添加生物活性分子和抗炎药物等。
  越来越多的研究结果表明,通过对受损的神经组织施加刺激,产生的神经活动对神经再生和修复过程有促进作用。近日,波士顿大学杨辰团队在纳米材料权威期刊ACS Nano发表了题为Photoacoustic Carbon Nanotubes Embedded Silk Scaffolds for Neural Stimulation and Regeneration的最新研究成果。该研究报道了一种基于碳纳米管和蚕丝蛋白的新型神经组织支架材料。这种材料具有光声转换性质,实现了对神经细胞的可控高效刺激,并验证了光声刺激对神经再生的促进作用。



  光声技术集合了光学高分辨率和超声穿透深度深的优点,在近年受到了极大关注。广泛应用于生物医学成像。光声效应中,材料吸收脉冲光能后,发生瞬时的受热膨胀,进而产生声波。2020年,波士顿大学程继新和杨辰团队首次将光声效应用于神经元刺激,用一个光纤光声传感器成功的实现了亚毫米精度的小鼠体外神经元刺激和活体大脑刺激。这一应用,开辟了光声技术在神经调控领域研究的新探索,受到了越来越广泛的关注。
  为了将光声技术引入到神经组织支架中,本文作者团队设计和开发了一种利用碳纳米管和蚕丝蛋白的新型水凝胶材料(CNT/silk hydrogel)。通过DPSE-PEG2000脂类的修饰,高浓度碳纳米管被均一地分散到蚕丝蛋白中,从而成功将光声转换的功能引入到蚕丝蛋白这一广泛使用的生物材料当中。在纳秒激光下照射下,该材料温度升高不超过0.2摄氏度,同时产生一个由照射区域定义的局部声场,从而实现高分辨率高效的神经元刺激。
  

图1. 材料制备以及对光声转换中声场和局部温度的表征。

  实验发现,在引入PEG修饰的碳纳米管后,CNT/silk hydrogel仍保持了蚕丝蛋白原有的较强的生物相容性。无论是细胞实验还是在小鼠上的体内实验,都未观察到显著的生物相容性降低。
  通过纳秒激光引发的光声效应,CNT/silk hydrogel成功实现了安全的神经活动的激活。在细胞实验中,作者通过GCaMP6f钙离子成像技术记录了大鼠脑皮层神经细胞在光声刺激下的相应神经活动。同时,激活范围可由光照区域控制,验证了基于光声效应的神经刺激具有较高的空间分辨率。
  

图2. 通过钙离子成像技术观察CNT/silk hydrogel引发的神经细胞刺激。

  此外,作者首次发现,除了电刺激,超声刺激以及光遗传刺激外,光声刺激也能够促进受损神经组织的再生。通过大鼠背根神经节模型(Rat dorsal root ganglion model),经过1小时光声刺激,14天后被刺激的神经节平均比未刺激的神经节增加了1.74倍的再生神经突长度。作者报道这一再生促进作用可能与更多的脑源性神经营养因子分泌有关。
  

图3. 光声刺激促进大鼠背根神经节的再生。

  本研究工作设计和开发了一种具有光声转换功能的新型水凝胶材料。基于蚕丝蛋白的高生物相容性和可调控性,该材料可作为一种多功能组织支架材料。在纳秒激光照射下,作者实现了高效可控高空间分辨率的神经元刺激,并发现光声刺激具有促进受损神经组织再生的功能。该技术可作为一种在现有医疗方法下的,进一步提高神经再生能力的治疗方法。同时,本文也验证了一种将光声转换功能集成入水凝胶的复合材料策略,提供了为水凝胶材料赋予光响应特性的新方法。
  文章的第一作者为美国波士顿大学博士生郑楠同学,通讯作者为波士顿大学电子与计算机工程系及化学系杨辰教授。合作者包括塔夫茨大学的David L. Kaplan教授和博士后研究员Vincent Fitzpatrick。

  论文全文下载地址:https://doi.org/10.1021/acsnano.1c08491 

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