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    波士頓大學楊辰團隊研究成果:具有神經激活和再生功能的絲蛋白組織支架
        神經損傷可由一系列神經退行性疾病和外科創傷引起,這些損傷極大地降低了患者的生活質量,并造成感覺喪失,運動功能喪失和長期的神經疼痛等一系列影響。因此,神經組織的再生和修復一直是領域內的熱點科學課題。近年來發展到神經組織支架是很有前景的一種方法。神經組織支架可以提供對神經組織的生長、黏附及分化適宜的微環境,加快營養和生長因子的輸運。它在周圍神經修復方面取得了一定的成功。為了進一步提高修復效果,科學家們在現有的神經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,通過對受損的神經組織施加刺激,產生的神經活動對神經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組織支架材料。這種材料具有光聲轉換性質,實現了對神經細胞的可控高效刺激,并驗證了光聲刺激對神經再生的促進作用。



      光聲技術集合了光學高分辨率和超聲穿透深度深的優點,在近年受到了極大關注。廣泛應用于生物醫學成像。光聲效應中,材料吸收脈沖光能后,發生瞬時的受熱膨脹,進而產生聲波。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元刺激,用一個光纖光聲傳感器成功的實現了亞毫米精度的小鼠體外神經元刺激和活體大腦刺激。這一應用,開辟了光聲技術在神經調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組織支架中,本文作者團隊設計和開發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,同時產生一個由照射區域定義的局部聲場,從而實現高分辨率高效的神經元刺激。
      

    圖1. 材料制備以及對光聲轉換中聲場和局部溫度的表征。

      實驗發現,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。
      通過納秒激光引發的光聲效應,CNT/silk hydrogel成功實現了安全的神經活動的激活。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細胞在光聲刺激下的相應神經活動。同時,激活范圍可由光照區域控制,驗證了基于光聲效應的神經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引發的神經細胞刺激。

      此外,作者首次發現,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組織的再生。通過大鼠背根神經節模型(Rat dorsal root ganglion model),經過1小時光聲刺激,14天后被刺激的神經節平均比未刺激的神經節增加了1.74倍的再生神經突長度。作者報道這一再生促進作用可能與更多的腦源性神經營養因子分泌有關。
      

    圖3. 光聲刺激促進大鼠背根神經節的再生。

      本研究工作設計和開發了一種具有光聲轉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,作者實現了高效可控高空間分辨率的神經元刺激,并發現光聲刺激具有促進受損神經組織再生的功能。該技術可作為一種在現有醫療方法下的,進一步提高神經再生能力的治療方法。同時,本文也驗證了一種將光聲轉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。

      論文全文下載地址:https://doi.org/10.1021/acsnano.1c08491 

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