神經(jīng)損傷是全球范圍內(nèi)致殘率較高的醫(yī)學(xué)難題之一，由于神經(jīng)元自身再生能力有限，其修復(fù)一直面臨巨大挑戰(zhàn)。近年研究表明，膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)再生過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，尤其是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的星形膠質(zhì)細(xì)胞和外周神經(jīng)系統(tǒng)中的雪旺細(xì)胞，它們通過調(diào)節(jié)神經(jīng)元存活、軸突再生和微環(huán)境重塑來促進(jìn)修復(fù)。機械刺激在神經(jīng)發(fā)育與再生中具有重要影響，然而，其背后的機械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制以及細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器如何響應(yīng)仍不明確。盡管壓電材料能夠?qū)⑼獠繖C械能轉(zhuǎn)化為電信號，但其在神經(jīng)修復(fù)中的作用機制尚不清晰，尤其是鈣離子內(nèi)流對線粒體等細(xì)胞器功能的影響仍有待揭示。

近日，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第六人民醫(yī)院錢運副研究員和清華大學(xué)孫曉丹副研究員合作開發(fā)出一種機械活性壓電水凝膠生物電子學(xué)系統(tǒng)，通過將BaTiO?納米顆粒嵌入I型膠原水凝膠中，構(gòu)建出可注射的壓電材料。在超聲波驅(qū)動下，該水凝膠能夠?qū)C械刺激轉(zhuǎn)化為電信號，顯著上調(diào)星形膠質(zhì)細(xì)胞中的PIEZO1通道和雪旺細(xì)胞中的PIEZO2通道。這一過程增強了鈣離子內(nèi)流，進(jìn)而激活A(yù)TP合成酶亞基，促進(jìn)MFN/OPA1介導(dǎo)的線粒體融合，最終提升ATP合成效率，形成高效的能量網(wǎng)絡(luò)，支持膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)修復(fù)。該研究還在小鼠、大鼠、比格犬和恒河猴等多種動物模型中驗證了其治療中樞及外周神經(jīng)損傷的廣泛適應(yīng)性與臨床轉(zhuǎn)化潛力。相關(guān)論文以“Mechano-bioactive hydrogel bioelectronics for mechanical-electrical-bioenergetic conversion and glia-modulating neural regeneration”為題，發(fā)表在

Nature Communications

圖1. 用于機械-電-生物能量轉(zhuǎn)換與膠質(zhì)調(diào)節(jié)神經(jīng)再生的機械活性水凝膠生物電子學(xué) （A）BaTiO?壓電水凝膠生物電子學(xué)的設(shè)計與制備。通過溶劑熱法合成BaTiO?納米顆粒，優(yōu)化其粒徑與單域結(jié)構(gòu)以增強壓電性能。表面羥基修飾提高親水性，使其在膠原水凝膠中均勻分散。該系統(tǒng)在低強度超聲波下實現(xiàn)機械電轉(zhuǎn)換。（B）機械-電-生物能量轉(zhuǎn)換支持能量需求高的神經(jīng)修復(fù)。超聲波驅(qū)動壓電水gel向膠質(zhì)細(xì)胞傳遞機械刺激，通過PIEZO離子通道介導(dǎo)鈣離子內(nèi)流，激活細(xì)胞內(nèi)信號通路，促進(jìn)線粒體融合作為生物能量樞紐，調(diào)節(jié)中樞與外周神經(jīng)系統(tǒng)的膠質(zhì)介導(dǎo)神經(jīng)修復(fù)。（C）在多種動物模型（小鼠、大鼠、比格犬、恒河猴）中驗證壓電生物電子學(xué)的療效與生物安全性，顯示其廣泛適應(yīng)性與轉(zhuǎn)化潛力。

研究團隊首先通過溶劑熱法合成了具有均勻粒徑和四方晶相的BaTiO?納米顆粒，并通過X射線衍射、高分辨透射電鏡和拉曼光譜等手段確認(rèn)了其壓電特性。壓電力顯微鏡顯示該材料在電壓刺激下具有典型的蝶形回線，證實其鐵電性質(zhì)。隨后，將BaTiO?納米顆粒與I型膠原水凝膠復(fù)合，構(gòu)建出可注射的壓電生物電子學(xué)系統(tǒng)。流變學(xué)測試表明該水凝膠在生理條件下具有良好的機械穩(wěn)定性和可操作性，適用于體內(nèi)植入。

圖2. 超聲波驅(qū)動壓電水凝膠生物電子學(xué)的性能與表征 （A）BaTiO?納米顆粒的掃描電鏡圖像。（B）納米顆粒粒徑分布。（C）透射電鏡圖像。（D）單個BaTiO?納米顆粒的Ba、Ti、O元素分布圖。（E）X射線衍射圖譜及（002）與（200）峰放大圖。（F）高分辨透射電鏡圖像。（G）快速傅里葉變換圖。（H）拉曼光譜。（I）壓電力顯微鏡測量的振幅-電壓曲線。（J）相位-電壓曲線。（K-L）膠原水凝膠與BaTiO?@COL-1水凝膠的共聚焦反射顯微鏡圖像。（M-O）水凝膠的流變學(xué)特性分析。

在雪旺細(xì)胞實驗中，超聲波驅(qū)動的壓電水凝膠顯著上調(diào)了PIEZO2通道的表達(dá)，并引發(fā)鈣離子內(nèi)流，進(jìn)一步激活鈣調(diào)蛋白和cAMP信號通路。同時，該處理還促進(jìn)了線粒體融合相關(guān)蛋白如OPA1、MFN1和MFN2的表達(dá)，增強了ATP的合成能力。通過PIEZO2基因敲除和L型電壓門控鈣通道抑制劑維拉帕米的對比實驗，研究確認(rèn)PIEZO2是雪旺細(xì)胞機械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要通道。此外，雪旺細(xì)胞條件培養(yǎng)基還顯示出促進(jìn)血管生成的能力，進(jìn)一步支持神經(jīng)再生微環(huán)境的構(gòu)建。

圖3. 超聲波驅(qū)動壓電水凝膠通過PIEZO2介導(dǎo)大鼠雪旺細(xì)胞的機械信號轉(zhuǎn)導(dǎo) （A）PIEZO1/2 mRNA表達(dá)。（B）PIEZO2蛋白免疫印跡。（C）PIEZO2 mRNA表達(dá)隨時間變化。（D）電壓門控鈣通道m(xù)RNA表達(dá)。（E）機械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖。（F）鈣離子熒光染色。（G）平均熒光強度統(tǒng)計。（H）鈣調(diào)蛋白、cAMP、JNK蛋白表達(dá)。（I）神經(jīng)營養(yǎng)因子mRNA表達(dá)時序。（J）線粒體外膜蛋白TOM20免疫熒光。（K）TOM20熒光強度統(tǒng)計。（L）ATP濃度檢測。（M）葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白、谷氨酰胺合成酶、ATP合成酶β亞基蛋白表達(dá)。（N）線粒體動力學(xué)蛋白免疫印跡。（O-P）RNA測序差異表達(dá)基因與火山圖。（Q）KEGG通路富集分析。

在星形膠質(zhì)細(xì)胞中，壓電水凝膠則主要激活PIEZO1通道，引發(fā)類似的鈣信號和線粒體功能增強。該處理促進(jìn)了星形膠質(zhì)細(xì)胞向修復(fù)表型轉(zhuǎn)化，上調(diào)了神經(jīng)支持因子如GDNF、NGF以及代謝相關(guān)酶如谷氨酰胺合成酶和GAD67的表達(dá)。轉(zhuǎn)錄組分析進(jìn)一步揭示了與細(xì)胞結(jié)構(gòu)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和神經(jīng)調(diào)節(jié)相關(guān)的基因表達(dá)變化，KEGG富集分析表明鈣信號和氨基酸代謝通路被顯著激活。

圖4. 超聲波驅(qū)動壓電水凝膠在大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞中的機械信號轉(zhuǎn)導(dǎo) （A-B）PIEZO1/2 mRNA表達(dá)。（C）電壓門控鈣通道PCR陣列熱圖。（D）反應(yīng)性與瘢痕星形膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志基因表達(dá)。（E）反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞基因特征熱圖。（F）TOM20免疫熒光。（G）TOM20與DAPI共定位分析。（H）TOM20熒光強度統(tǒng)計。（I）MitoLite與鈣離子熒光染色。（J）熒光強度統(tǒng)計。（K）谷氨酰胺合成酶、ATP合成酶β、GAD67蛋白表達(dá)。（L）線粒體動力學(xué)蛋白免疫印跡。（M）HUVEC管形成實驗。（N）管形成統(tǒng)計分析。（O-P）雞胚尿囊膜實驗圖像與血管數(shù)量統(tǒng)計。（Q）差異表達(dá)基因火山圖。（R）KEGG通路富集分析。

在大鼠坐骨神經(jīng)擠壓傷模型中，植入壓電水凝膠并施加超聲波刺激后，損傷部位PIEZO2表達(dá)顯著增加，神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)更為清晰有序，膠原沉積更為致密。免疫熒光顯示雪旺細(xì)胞活性增強，血管生成加速。電生理測試表明神經(jīng)傳導(dǎo)速度和復(fù)合肌肉動作電位明顯改善，透射電鏡和甲苯胺藍(lán)染色顯示髓鞘厚度和軸突直徑顯著恢復(fù)。行為學(xué)測試進(jìn)一步證實了感覺和運動功能的恢復(fù)，且材料表現(xiàn)出良好的生物相容性。

圖5. 超聲波驅(qū)動壓電水凝膠促進(jìn)SD大鼠外周神經(jīng)損傷后的神經(jīng)再生與功能恢復(fù) （A）大鼠坐骨神經(jīng)擠壓傷模型示意圖。（B）PIEZO2免疫組化染色。（C）PIEZO2陽性染色定量。（D）損傷神經(jīng)縱向H&E染色。（E）天狼星紅偏振光染色。（F）GAP43、S100β、βIII-tubulin免疫熒光。（G）熒光強度統(tǒng)計。（H）神經(jīng)傳導(dǎo)速度與復(fù)合肌肉動作電位統(tǒng)計。（I）肌電圖曲線。（J）髓鞘透射電鏡圖像。（K）甲苯胺藍(lán)染色。（L-M）軸突直徑與髓鞘厚度統(tǒng)計。（N）腓腸肌層粘連蛋白染色。（O）熱板實驗反應(yīng)潛伏期。

在恒河猴坐骨神經(jīng)損傷模型中，即使未施加超聲波，由于動物自身肌肉收縮產(chǎn)生的機械刺激，壓電水凝膠仍能激活PIEZO2通道，促進(jìn)神經(jīng)纖維排列和血管生成。靶器官肌肉和皮膚的形態(tài)學(xué)分析顯示再神經(jīng)化程度提高，電信號記錄表明神經(jīng)功能恢復(fù)顯著。

圖6. 壓電水凝膠在恒河猴外周神經(jīng)損傷模型中的療效與生物安全性 （A）手術(shù)與植入示意圖。（B）PIEZO2免疫組化染色。（C）陽性染色定量。（D）神經(jīng)縱向H&E染色。（E）CD34、GAP43、βIII-tubulin免疫熒光。（F）CD31免疫熒光。（G）去神經(jīng)支配影響示意圖。（H）腓腸肌H&E染色。（I）肌纖維周長與面積統(tǒng)計。（J）皮膚Masson染色。（K）電生理記錄電極設(shè)置。（L）電刺激記錄電位。（M）髓鞘透射電鏡圖像。（N）甲苯胺藍(lán)染色。（O）軸突直徑與髓鞘厚度統(tǒng)計。

針對中樞神經(jīng)系統(tǒng)，研究團隊在大鼠和比格犬脊髓損傷模型中驗證了該系統(tǒng)的療效。在大鼠模型中，壓電水凝膠植入后，PIEZO1通道被激活，背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的靜息電位和鈣電流密度顯著改善。星形膠質(zhì)細(xì)胞瘢痕形成減少，神經(jīng)元存活和軸突再生增強，行為學(xué)測試顯示運動功能和情緒狀態(tài)明顯恢復(fù)。在比格犬模型中，超聲驅(qū)動的壓電水凝膠顯著改善了后肢運動功能，磁共振成像顯示脊髓連續(xù)性恢復(fù)，組織學(xué)分析證實神經(jīng)元存活率提高，且系統(tǒng)在主要器官中未引起毒性反應(yīng)。

圖7. 超聲波驅(qū)動壓電水凝膠促進(jìn)SD大鼠脊髓損傷后的神經(jīng)再生與功能恢復(fù) （A）脊髓缺損模型與植入示意圖。（B-C）PIEZO1免疫組化染色與定量。（D）背根神經(jīng)節(jié)全細(xì)胞膜片鉗示意圖。（E）靜息膜電位分析。（F）鈣電流密度與代表性曲線。（G）GFAP、S100β、Sox9、Nestin免疫熒光。（H）熒光強度統(tǒng)計。（I）NeuN、GAP43、CD34免疫熒光。（J）熒光強度統(tǒng)計。（K）CS-56與谷氨酰胺合成酶免疫熒光。（L）熒光強度統(tǒng)計。（M）開場實驗軌跡圖與分析。

圖8. 超聲波驅(qū)動壓電水凝膠在比格犬脊髓損傷模型中的療效與生物安全性 （A）脊髓半切模型與植入示意圖。（B）后肢功能恢復(fù)圖像。（C）PIEZO1免疫組化染色。（D）陽性染色定量。（E）主要器官H&E染色。（F）腓腸肌H&E染色。（G）肌纖維周長與面積統(tǒng)計。（H）Olby評分統(tǒng)計。（I）體重變化。（J）脊髓段磁共振成像。（K）NeuN免疫熒光染色。

綜上所述，該研究開發(fā)的機械活性壓電水凝膠生物電子學(xué)系統(tǒng)成功實現(xiàn)了從機械能到電能再到生物能量的多級轉(zhuǎn)換，通過激活膠質(zhì)細(xì)胞中的PIEZO通道—鈣信號—CREB軸心，促進(jìn)線粒體融合與能量代謝重組，從而支持神經(jīng)再生。在多種動物模型中的驗證展示了其廣泛的適應(yīng)性和良好的生物安全性，為中樞及外周神經(jīng)損傷的臨床治療提供了新策略。未來研究將進(jìn)一步明確對PIEZO激活最敏感的膠質(zhì)細(xì)胞亞群，并開發(fā)實時監(jiān)測技術(shù)以揭示機械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的動態(tài)過程。

來源：高分子科學(xué)前沿