PNAS | 體內直接組裝神經界面,實現(xiàn)局部和全身性免疫調節(jié)
北京時間11月30日,中國科學院深圳先進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即可直接在組織內組裝神經界面的方法,其產生的神經界面可以有效連接彌散在深層筋膜骨膜中的神經末梢。該技術能有效地通過神經刺激調節(jié)局部和全身免疫反應,為病理性異常神經活動的治療提供了新的視角。相關成果以Doping-induced Assembly Interface for Non-Invasive in vivo Local and Systemic Immunomodulation為題發(fā)表于最新一期PNAS。
神經系統(tǒng)的復雜性和精細性使其成為生物學研究中最引人入勝的領域之一。在外周神經調控領域,特別是對于彌散分布在組織中的小直徑神經,建立穩(wěn)定的直接連接一直是一個巨大挑戰(zhàn)。目前,除了坐骨神經等大直徑外周神經,研究領域長期缺乏有效的方法來與這些神經建立穩(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自組裝系統(tǒng)實現(xiàn)這一目標。
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構核心層。該溶液體系可通過噴射注射器直接注入到特定神經末梢,利用注射過程中伴隨的活性氧(ROS)催化PEDOT進一步氧化摻雜,增強納米片間的 - 相互作用,形成導電、可生物降解的連續(xù)神經電子界面。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生多種鍵鏈接,增強組裝體系的體內穩(wěn)定性。該神經界面不僅可以調節(jié)局部免疫活動,促進受損神經小鼠的感覺和運動神經功能恢復,而且在對清醒小鼠足三里迷走神經刺激中,激活了小鼠的迷走-腎上腺軸,從而釋放兒茶酚胺類神經遞質,達到抑制全身性細胞因子風暴的目的。
在體外和體內的實驗中,這些納米片在神經組織周圍形成聚集,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。
在體外和體內的坐骨神經損傷相關實驗中,注射后的神經組織在宏觀和細胞水平上顯示出積極的修復跡象,包括促進施旺細胞的生存和招募,以及促進巨噬細胞的M2極化。
這種界面能夠通過激活迷走-腎上腺軸來誘導抗炎反應,而不觸發(fā)脊髓交感反應,證明了其可通過神經通路的調控實現(xiàn)全身性免疫調節(jié)。
總而言之,這項創(chuàng)新的研究在神經電子學領域開辟了新的方向,為神經損傷治療和免疫調節(jié)提供了全新的視角和策略,此類技術有望在未來的臨床應用中為神經系統(tǒng)疾病的治療帶來更多關鍵突破。
深圳先進院前客座學生沙葆凝為本文第一作者,現(xiàn)在哥倫比亞大學繼續(xù)深造,深圳理工大學(籌)生命健康學院智能交叉科學中心、深圳先進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隊PI先進院腦所所長王立平研究員、中科大和先進院腦所畢國強教授、哥倫比亞大學Dion?Khodagholy副教授,均為本文提供了重要指導和大力支持,共同作者還包括中科大納米學院聯(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-“腦科學與類腦研究”重大項目青年科學家項目,國家自然科學基金委重點、青年項目,科技部重點領域研發(fā)計劃,廣東省重點領域研發(fā)計劃,中科院戰(zhàn)略性先導科技專項,基金委-廣東省聯(lián)合項目,深圳市基礎研究項目,深圳市腦解析與腦模擬重大科技基礎設施,深港腦科學創(chuàng)新研究院等項目和平臺的支持。團隊感謝 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生理學、生物醫(yī)學工程、電化學材料等交叉學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 無需手術即可直接在體內組裝的神經界面,可通過電刺激調節(jié)局部和全身免疫反應

圖2 本研究的二維納米片在體內的自組裝和電化學重構能力得到了驗證
圖3 研究展示了該界面在調節(jié)局部炎癥反應和促進神經修復方面的潛力
圖4 研究揭示了該自組裝界面在抑制全身性細胞因子釋放綜合征方面的潛力
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