Advanced Materials:逆转命运——压电复合纳米颗粒调控神经可塑性和恢复神经元功能

帕金森症是一种中老年人常见的神经系统变性疾病,其主要的病理改变是中脑黑质多巴胺能神经元的变性死亡。治疗解决方案包括药物治疗、基因治疗和细胞移植、细胞重编程等方案;开发非侵入性、简单但有效的策略恢复内源性多巴胺神经元的功能仍然存在巨大的挑战。

电磁场是生命系统不可或缺的一部分,影响细胞内通讯、神经元活动、离子转运,从而影响细胞迁移、增殖和分化,甚至能够对细胞进行重新编程。压电纳米材料可以很容易地响应外部刺激并将机械能转换为电能,是一种开展远程、非侵入性和精准调控神经的非常有前途的工具。由于具有独特的能量转换性能,压电纳米材料在生物医学中具有广阔应用前景,例如作为纳米药物中的多级载体,体内成像探针和诱导细胞生长/分化的纳米级换能器。具有较高压电系数和机电耦合系数的纳米材料在电磁场产生中的效率很高。使用超声可以通过远程调控压电纳米粒子产生电磁场。

南京大学化学化工学院高分子科学与工程系沈群东研究团队提出使用压电复合纳米颗粒调节神经可塑性,同时可以恢复体内退行的多巴胺能神经元功能。在压电纳米晶体表面通过水热法复合特定厚度设计的碳壳层,有良好的生物亲和性;其声阻抗和生物介质比较接近,传导损耗较小,并且界面处的电子极化增强,因此核壳结构的纳米颗粒在体内显示了出色的超声波吸收和电磁场生成性能。在超声波的声压下,压电纳米材料电荷分离导致电势的产生,电位随着高频超声波产生周期性变化,且产生的电刺激强度足以激活神经细胞。

将核-壳结构的压电纳米颗粒和远程超声结合,产生可调控的电场,能够在纳米-生物界面实现远程电刺激。纳米颗粒接受超声信号可以产生电信号传递给神经细胞,刺激神经细胞中电压依赖性离子通道,造成细胞去极化;同时增加了神经突触可塑性的标志物——突触素蛋白的表达,并可通过调控神经回路中钙离子内流控制斑马鱼的尾动。多巴胺是调控中枢神经系统的神经递质,酪氨酸羟化酶是多巴胺合成的限速酶,是催化L-酪氨酸向L-多巴转变的关键酶。由压电纳米颗粒产生的电场激活了酪氨酸羟化酶的表达,并改善了帕金森模型斑马鱼的运动障碍。该电磁化的纳米微粒在脑部组织中具有良好的生物安全性,为远程治疗神经退行性疾病和神经再生提供了新思路。

相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202003800)。南京大学化学化工学院博士生赵娣和丰培坚为该论文共同第一作者,沈群东教授、杭州电子科技大学的陈迎鑫副教授为该论文的共同通讯作者。南京大学生命科学学院朱景宁教授和化学化工学院徐静娟教授给予了协助。研究课题得到国家重点研发计划重点专项、国家自然科学基金等项目的资助。沈群东教授课题组近年来专注于能量转化材料调控细胞行为的研究,在光响应的能量转换复合薄膜模拟人造视网膜(Advanced Materials 2016, 28, 10684)、能量转换纳米材料调控神经细胞分化(Advanced Functional Materials 2020, 30, 1910323)和细胞内微环境促进肿瘤凋亡(Small 2019, 15, 1900212)等方面开展了系列的工作。