神经系统的复杂性和精细性是生物体中最引人入胜的领域之一。在外周神经领域，特别是对于弥散分布在组织中的小直径神经，建立稳定的连接一直是一个巨大挑战。目前，除了坐骨神经等大直径外周神经，我们缺少有效的方法来与这些神经建立稳定连接。今年早些时间由林雪平大学团队发表在Science上的文章“Metabolite-induced in vivo fabrication of substrate-free organic bioelectronics”, 以及斯坦福大学团队发表在Science Advance上的文章“Genetically targeted chemical assembly of polymers specifically localized extracellularly to surface membranes of living neurons”都可以视为在尝试探索更有效的神经界面形式。他们通过生物酶促反应，利用巧妙的内源或者外源的过氧化氢和过氧化氢酶体系，在体内直接聚合形成导电聚合物共轭链，并通过侧链改性，基因靶向等手段调节与稳定聚合中必要组分的协调工作。截止到目前为止这类前沿技术的具体应用还是一个空白。同时过氧化氢酶蛋白质的稳定性和导电性过低限制了进一步的发展。本文作者想到了一个颇有创意的路线来解决上述问题: 以MXene的本征过氧化氢酶活性和导电性为反应核心来设计体内自组装纳米片。
北京时间11月30日，中科院深圳先进院脑认知与脑疾病研究所（脑所）都展宏等展示了一种不使用聚合物载体且无需手术即可直接在组织内组装神经界面的方法，其产生的神经界面可以有效连接弥散在深层筋膜骨膜中的神经末梢。该技术能有效地通过神经刺激调节局部和全身免疫反应，为病理性异常神经活动的治疗提供了新的视角。相关成果以“Doping-induced Assembly Interface for Non-Invasive in vivo Local and Systemic Immunomodulation”为题发表于最新一期《PNAS》。
本研究的核心在于开发了一种导电聚合物体内聚合以外的，基于单组分多层纳米片的体内自组装来构建神经界面的方法。这种纳米片包括苯磺酸根作为掺杂剂层，低氧化程度的聚3,4-乙烯二氧噻吩作为共轭层，聚多巴胺作为稳定剂和粘附剂量，以及MXene作为过氧化物酶和结构核心层。另外该研究还特别采用了一种少见注射手段——无针喷射注射，将纳米片胶体溶液直接注入到特定神经末梢。这种注射手段配和自组装纳米片可以利用注射过程中微损伤产生的活性氧（ROS）催化PEDOT进一步氧化掺杂，增强纳米片间的π-π相互作用，在组织内部形成导电、可生物降解的树形连续神经界面以适配同样弥散分布的外周神经末梢。聚多巴胺作为稳定剂，在注射前可以抑制纳米片的自发掺杂，在注射后可以与周围组织产生多种键链接，增强组装体系的体内稳定性。这种界面不仅可以调节局部免疫活动，促进受损神经小鼠的感觉和运动神经功能恢复，而且在对足三里处深层筋膜和骨膜中迷走神经的清醒刺激中，激活了小鼠的迷走-肾上腺轴，释放儿茶酚胺类神经递质，抑制全身性细胞因子风暴。
图1 无需手术即可直接在体内组装的神经界面，可通过电刺激调节局部和全身免疫反应
这些纳米片在体内的自组装和电化学重构能力得到了验证。在体外和体内的实验中，这些纳米片在神经组织周围形成聚集，并在10周后逐步氧化代谢降解。对注射后电极阻抗的测量显示了降低的透皮阻抗，并在刺激所用的20Hz频率上呈现出显著的下降。
图2 本研究的二维纳米片在体内的自组装和电化学重构能力得到了验证
此外，这项研究还展示了该界面在调节局部炎症反应和促进神经修复方面的潜力。在体外和体内的坐骨神经损伤相关实验中，注射后的神经组织在宏观和细胞水平上显示出积极的修复迹象，包括促进施旺细胞的生存和招募，以及促进巨噬细胞的M2极化。
图3 研究展示了该界面在调节局部炎症反应和促进神经修复方面的潜力
最近在Nature上的研究“A neuroanatomical basis for electroacupuncture to drive the vagal– adrenal axis”表明体感自主反射允许电针刺激在远端调节身体生理功能，如抑制严重的全身性炎症。通过光遗传学，交叉遗传等策略，研究人员已经定位了一种标记PROKR2Cre的感觉神经元，在其中起到重要作用。但PROKR2Cre神经纤维的分布模式——弥散在深层后肢筋膜，如骨膜）而非腹部筋膜（例如，腹膜）分布的神经丛——导致几乎无法通过常规神经界面技术对其实现清醒状态下的刺激调控。为了应对这种挑战，本文通过定向无针注射手段，在后肢PROKR2Cre神经富集部位注射掺杂组装纳米片胶体实现对3-10微米直径的PROKR2Cre神经从的稳定连续界面。在清醒刺激组中实现在DMV脑区中接近50%的c-Fos/ChAT激活比例，并在细菌脂多糖（LAP）诱导的脓毒血症老鼠血清中检测到明显的儿茶酚胺类神经递质的升高，和促炎细胞因子的降低。
图4 研究揭示了该自组装界面在抑制全身性细胞因子释放综合征方面的潜力
总而言之，这项创新的研究在神经电子学领域开辟了新的方向，为神经损伤治疗和免疫调节提供了全新的视角和策略，此类技术有望在未来的临床应用中为神经系统疾病的治疗带来更多关键突破。
深圳先进院前客座学生沙葆凝为本文第一作者，现在哥伦比亚大学继续深造，深圳理工大学（筹）生命健康学院智能交叉科学中心、深圳先进院脑所脑信息中心副研究员都展宏为本文通讯作者。本文共同作者包括合作团队PI先进院脑所所长王立平研究员、中科大和先进院脑所毕国强教授、哥伦比亚大学Dion Khodagholy副教授，均为本文提供了重要指导和大力支持，共同作者还包括中科大纳米学院联培研究生赵生卓和课题组科研助理顾敏铃。本研究受到了科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目青年科学家项目，国家自然科学基金委重点、青年项目，科技部重点领域研发计划，广东省重点领域研发计划，中科院战略性先导科技专项，基金委-广东省联合项目，深圳市基础研究项目，深圳市脑解析与脑模拟重大科技基础设施，深港脑科学创新研究院等项目和平台的支持。团队感谢 Hao Huang 和Zhengsheng Li在材料表征等实验方面的支持和帮助。
都展宏课题组（生物电子界面工程实验室，BEIE Lab）正在积极寻求科研合作，课题组长期招聘神经生理学、生物医学工程、电化学材料等交叉学科背景方向的博士后，如有合作或加入意向，欢迎联系
热门跟贴