PNAS | 體內(nèi)直接組裝神經(jīng)界面,實現(xiàn)局部和全身性免疫調(diào)節(jié)
北京時間11月30日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)院腦所副研究員都展宏等展示了一種不使用聚合物載體且無需手術(shù)即可直接在組織內(nèi)組裝神經(jīng)界面的方法,其產(chǎn)生的神經(jīng)界面可以有效連接彌散在深層筋膜骨膜中的神經(jīng)末梢。該技術(shù)能有效地通過神經(jīng)刺激調(diào)節(jié)局部和全身免疫反應(yīng),為病理性異常神經(jīng)活動的治療提供了新的視角。相關(guān)成果以Doping-induced Assembly Interface for Non-Invasive in vivo Local and Systemic Immunomodulation為題發(fā)表于最新一期PNAS。
神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和精細(xì)性使其成為生物學(xué)研究中最引人入勝的領(lǐng)域之一。在外周神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域,特別是對于彌散分布在組織中的小直徑神經(jīng),建立穩(wěn)定的直接連接一直是一個巨大挑戰(zhàn)。目前,除了坐骨神經(jīng)等大直徑外周神經(jīng),研究領(lǐng)域長期缺乏有效的方法來與這些神經(jīng)建立穩(wěn)定連接,本研究的核心在于開發(fā)了一種基于單組分多層納米片的體內(nèi)自組裝系統(tǒng)實現(xiàn)這一目標(biāo)。
本研究實現(xiàn)的納米片包括苯磺酸根作為摻雜劑層,低氧化程度的聚3,4-乙烯二氧噻吩作為共軛層,聚多巴胺作為穩(wěn)定劑和粘附劑,以及MXene作為過氧化物酶和結(jié)構(gòu)核心層。該溶液體系可通過噴射注射器直接注入到特定神經(jīng)末梢,利用注射過程中伴隨的活性氧(ROS)催化PEDOT進(jìn)一步氧化摻雜,增強(qiáng)納米片間的 - 相互作用,形成導(dǎo)電、可生物降解的連續(xù)神經(jīng)電子界面。聚多巴胺作為穩(wěn)定劑,在注射前可以抑制納米片的自發(fā)摻雜,在注射后可以與周圍組織產(chǎn)生多種鍵鏈接,增強(qiáng)組裝體系的體內(nèi)穩(wěn)定性。該神經(jīng)界面不僅可以調(diào)節(jié)局部免疫活動,促進(jìn)受損神經(jīng)小鼠的感覺和運動神經(jīng)功能恢復(fù),而且在對清醒小鼠足三里迷走神經(jīng)刺激中,激活了小鼠的迷走-腎上腺軸,從而釋放兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì),達(dá)到抑制全身性細(xì)胞因子風(fēng)暴的目的。
在體外和體內(nèi)的實驗中,這些納米片在神經(jīng)組織周圍形成聚集,并在10周后逐步氧化代謝降解。對注射后電極阻抗的測量顯示本研究形成的神經(jīng)界面降低了透皮阻抗,并在刺激所用的20Hz頻率上呈現(xiàn)出顯著的下降。
在體外和體內(nèi)的坐骨神經(jīng)損傷相關(guān)實驗中,注射后的神經(jīng)組織在宏觀和細(xì)胞水平上顯示出積極的修復(fù)跡象,包括促進(jìn)施旺細(xì)胞的生存和招募,以及促進(jìn)巨噬細(xì)胞的M2極化。
這種界面能夠通過激活迷走-腎上腺軸來誘導(dǎo)抗炎反應(yīng),而不觸發(fā)脊髓交感反應(yīng),證明了其可通過神經(jīng)通路的調(diào)控實現(xiàn)全身性免疫調(diào)節(jié)。
總而言之,這項創(chuàng)新的研究在神經(jīng)電子學(xué)領(lǐng)域開辟了新的方向,為神經(jīng)損傷治療和免疫調(diào)節(jié)提供了全新的視角和策略,此類技術(shù)有望在未來的臨床應(yīng)用中為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療帶來更多關(guān)鍵突破。
深圳先進(jìn)院前客座學(xué)生沙葆凝為本文第一作者,現(xiàn)在哥倫比亞大學(xué)繼續(xù)深造,深圳理工大學(xué)(籌)生命健康學(xué)院智能交叉科學(xué)中心、深圳先進(jìn)院腦所腦信息中心副研究員都展宏為本文通訊作者。本文共同作者包括合作團(tuán)隊PI先進(jìn)院腦所所長王立平研究員、中科大和先進(jìn)院腦所畢國強(qiáng)教授、哥倫比亞大學(xué)Dion?Khodagholy副教授,均為本文提供了重要指導(dǎo)和大力支持,共同作者還包括中科大納米學(xué)院聯(lián)培研究生趙生卓和課題組科研助理顧敏鈴。本研究受到了科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目青年科學(xué)家項目,國家自然科學(xué)基金委重點、青年項目,科技部重點領(lǐng)域研發(fā)計劃,廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃,中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項,基金委-廣東省聯(lián)合項目,深圳市基礎(chǔ)研究項目,深圳市腦解析與腦模擬重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院等項目和平臺的支持。團(tuán)隊感謝 Hao Huang 和Zhengsheng Li在材料表征等實驗方面的支持和幫助。
都展宏課題組(生物電子界面工程實驗室,BEIE Lab)正在積極尋求科研合作,課題組長期招聘神經(jīng)生理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、電化學(xué)材料等交叉學(xué)科背景方向的博士后,如有合作或加入意向,歡迎聯(lián)系

圖1 無需手術(shù)即可直接在體內(nèi)組裝的神經(jīng)界面,可通過電刺激調(diào)節(jié)局部和全身免疫反應(yīng)

圖2 本研究的二維納米片在體內(nèi)的自組裝和電化學(xué)重構(gòu)能力得到了驗證
圖3 研究展示了該界面在調(diào)節(jié)局部炎癥反應(yīng)和促進(jìn)神經(jīng)修復(fù)方面的潛力
圖4 研究揭示了該自組裝界面在抑制全身性細(xì)胞因子釋放綜合征方面的潛力
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