神經(jīng)損傷可由一系列神經(jīng)退行性疾病和外科創(chuàng)傷引起，這些損傷極大地降低了患者的生活質(zhì)量，并造成感覺喪失，運動功能喪失和長期的神經(jīng)疼痛等一系列影響。因此，神經(jīng)組織的再生和修復一直是領域內(nèi)的熱點科學課題。近年來發(fā)展到神經(jīng)組織支架是很有前景的一種方法。神經(jīng)組織支架可以提供對神經(jīng)組織的生長、黏附及分化適宜的微環(huán)境，加快營養(yǎng)和生長因子的輸運。它在周圍神經(jīng)修復方面取得了一定的成功。為了進一步提高修復效果，科學家們在現(xiàn)有的神經(jīng)支架功能基礎上做了各種嘗試，比如增加支架的電導性，添加生物活性分子和抗炎藥物等。
越來越多的研究結果表明，通過對受損的神經(jīng)組織施加刺激，產(chǎn)生的神經(jīng)活動對神經(jīng)再生和修復過程有促進作用。近日，波士頓大學楊辰團隊在納米材料權威期刊ACS Nano發(fā)表了題為Photoacoustic Carbon Nanotubes Embedded Silk Scaffolds for Neural Stimulation and Regeneration的最新研究成果。該研究報道了一種基于碳納米管和蠶絲蛋白的新型神經(jīng)組織支架材料。這種材料具有光聲轉(zhuǎn)換性質(zhì)，實現(xiàn)了對神經(jīng)細胞的可控高效刺激，并驗證了光聲刺激對神經(jīng)再生的促進作用。
光聲技術集合了光學高分辨率和超聲穿透深度深的優(yōu)點，在近年受到了極大關注。廣泛應用于生物醫(yī)學成像。光聲效應中，材料吸收脈沖光能后，發(fā)生瞬時的受熱膨脹，進而產(chǎn)生聲波。2020年，波士頓大學程繼新和楊辰團隊首次將光聲效應用于神經(jīng)元刺激，用一個光纖光聲傳感器成功的實現(xiàn)了亞毫米精度的小鼠體外神經(jīng)元刺激和活體大腦刺激。這一應用，開辟了光聲技術在神經(jīng)調(diào)控領域研究的新探索，受到了越來越廣泛的關注。
為了將光聲技術引入到神經(jīng)組織支架中，本文作者團隊設計和開發(fā)了一種利用碳納米管和蠶絲蛋白的新型水凝膠材料（CNT/silk hydrogel）。通過DPSE-PEG2000脂類的修飾，高濃度碳納米管被均一地分散到蠶絲蛋白中，從而成功將光聲轉(zhuǎn)換的功能引入到蠶絲蛋白這一廣泛使用的生物材料當中。在納秒激光下照射下，該材料溫度升高不超過0.2攝氏度，同時產(chǎn)生一個由照射區(qū)域定義的局部聲場，從而實現(xiàn)高分辨率高效的神經(jīng)元刺激。
圖1. 材料制備以及對光聲轉(zhuǎn)換中聲場和局部溫度的表征。
實驗發(fā)現(xiàn)，在引入PEG修飾的碳納米管后，CNT/silk hydrogel仍保持了蠶絲蛋白原有的較強的生物相容性。無論是細胞實驗還是在小鼠上的體內(nèi)實驗，都未觀察到顯著的生物相容性降低。
通過納秒激光引發(fā)的光聲效應，CNT/silk hydrogel成功實現(xiàn)了安全的神經(jīng)活動的激活。在細胞實驗中，作者通過GCaMP6f鈣離子成像技術記錄了大鼠腦皮層神經(jīng)細胞在光聲刺激下的相應神經(jīng)活動。同時，激活范圍可由光照區(qū)域控制，驗證了基于光聲效應的神經(jīng)刺激具有較高的空間分辨率。
圖2. 通過鈣離子成像技術觀察CNT/silk hydrogel引發(fā)的神經(jīng)細胞刺激。
此外，作者首次發(fā)現(xiàn)，除了電刺激，超聲刺激以及光遺傳刺激外，光聲刺激也能夠促進受損神經(jīng)組織的再生。通過大鼠背根神經(jīng)節(jié)模型（Rat dorsal root ganglion model），經(jīng)過1小時光聲刺激，14天后被刺激的神經(jīng)節(jié)平均比未刺激的神經(jīng)節(jié)增加了1.74倍的再生神經(jīng)突長度。作者報道這一再生促進作用可能與更多的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子分泌有關。
圖3. 光聲刺激促進大鼠背根神經(jīng)節(jié)的再生。
本研究工作設計和開發(fā)了一種具有光聲轉(zhuǎn)換功能的新型水凝膠材料?；谛Q絲蛋白的高生物相容性和可調(diào)控性，該材料可作為一種多功能組織支架材料。在納秒激光照射下，作者實現(xiàn)了高效可控高空間分辨率的神經(jīng)元刺激，并發(fā)現(xiàn)光聲刺激具有促進受損神經(jīng)組織再生的功能。該技術可作為一種在現(xiàn)有醫(yī)療方法下的，進一步提高神經(jīng)再生能力的治療方法。同時，本文也驗證了一種將光聲轉(zhuǎn)換功能集成入水凝膠的復合材料策略，提供了為水凝膠材料賦予光響應特性的新方法。
文章的第一作者為美國波士頓大學博士生鄭楠同學，通訊作者為波士頓大學電子與計算機工程系及化學系楊辰教授。合作者包括塔夫茨大學的David L. Kaplan教授和博士后研究員Vincent Fitzpatrick。
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