《自然·通訊》上海交通大學錢運：新型壓電水凝膠生物電子學實現神經再生

神經損傷是全球范圍內致殘率較高的醫學難題之一，由于神經元自身再生能力有限，其修復一直面臨巨大挑戰。近年研究表明，膠質細胞在神經再生過程中發揮著關鍵作用，尤其是中樞神經系統中的星形膠質細胞和外周神經系統中的雪旺細胞，它們通過調節神經元存活、軸突再生和微環境重塑來促進修復。機械刺激在神經發育與再生中具有重要影響，然而，其背后的機械信號轉導機制以及細胞內細胞器如何響應仍不明確。盡管壓電材料能夠將外部機械能轉化為電信號，但其在神經修復中的作用機制尚不清晰，尤其是鈣離子內流對線粒體等細胞器功能的影響仍有待揭示。

近日，上海交通大學醫學院附屬第六人民醫院錢運副研究員和清華大學孫曉丹副研究員合作開發出一種機械活性壓電水凝膠生物電子學系統，通過將BaTiO?納米顆粒嵌入I型膠原水凝膠中，構建出可注射的壓電材料。在超聲波驅動下，該水凝膠能夠將機械刺激轉化為電信號，顯著上調星形膠質細胞中的PIEZO1通道和雪旺細胞中的PIEZO2通道。這一過程增強了鈣離子內流，進而激活ATP合成酶亞基，促進MFN/OPA1介導的線粒體融合，最終提升ATP合成效率，形成高效的能量網絡，支持膠質細胞介導的神經修復。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損傷的廣泛適應性與臨床轉化潛力。相關論文以“Mechano-bioactive hydrogel bioelectronics for mechanical-electrical-bioenergetic conversion and glia-modulating neural regeneration”為題，發表在

Nature Communications

圖1. 用于機械-電-生物能量轉換與膠質調節神經再生的機械活性水凝膠生物電子學 （A）BaTiO?壓電水凝膠生物電子學的設計與制備。通過溶劑熱法合成BaTiO?納米顆粒，優化其粒徑與單域結構以增強壓電性能。表面羥基修飾提高親水性，使其在膠原水凝膠中均勻分散。該系統在低強度超聲波下實現機械電轉換。（B）機械-電-生物能量轉換支持能量需求高的神經修復。超聲波驅動壓電水gel向膠質細胞傳遞機械刺激，通過PIEZO離子通道介導鈣離子內流，激活細胞內信號通路，促進線粒體融合作為生物能量樞紐，調節中樞與外周神經系統的膠質介導神經修復。（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的療效與生物安全性，顯示其廣泛適應性與轉化潛力。

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。隨后，將BaTiO?納米顆粒與I型膠原水凝膠復合，構建出可注射的壓電生物電子學系統。流變學測試表明該水凝膠在生理條件下具有良好的機械穩定性和可操作性，適用于體內植入。

圖2. 超聲波驅動壓電水凝膠生物電子學的性能與表征 （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）水凝膠的流變學特性分析。

在雪旺細胞實驗中，超聲波驅動的壓電水凝膠顯著上調了PIEZO2通道的表達，并引發鈣離子內流，進一步激活鈣調蛋白和cAMP信號通路。同時，該處理還促進了線粒體融合相關蛋白如OPA1、MFN1和MFN2的表達，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PIEZO2是雪旺細胞機械信號轉導的主要通道。此外，雪旺細胞條件培養基還顯示出促進血管生成的能力，進一步支持神經再生微環境的構建。

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

在星形膠質細胞中，壓電水凝膠則主要激活PIEZO1通道，引發類似的鈣信號和線粒體功能增強。該處理促進了星形膠質細胞向修復表型轉化，上調了神經支持因子如GDNF、NGF以及代謝相關酶如谷氨酰胺合成酶和GAD67的表達。轉錄組分析進一步揭示了與細胞結構、信號轉導和神經調節相關的基因表達變化，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. 超聲波驅動壓電水凝膠在大鼠星形膠質細胞中的機械信號轉導 （A-B）PIEZO1/2 mRNA表達。（C）電壓門控鈣通道PCR陣列熱圖。（D）反應性與瘢痕星形膠質細胞標志基因表達。（E）反應性星形膠質細胞基因特征熱圖。（F）TOM20免疫熒光。（G）TOM20與DAPI共定位分析。（H）TOM20熒光強度統計。（I）MitoLite與鈣離子熒光染色。（J）熒光強度統計。（K）谷氨酰胺合成酶、ATP合成酶β、GAD67蛋白表達。（L）線粒體動力學蛋白免疫印跡。（M）HUVEC管形成實驗。（N）管形成統計分析。（O-P）雞胚尿囊膜實驗圖像與血管數量統計。（Q）差異表達基因火山圖。（R）KEGG通路富集分析。

在大鼠坐骨神經擠壓傷模型中，植入壓電水凝膠并施加超聲波刺激后，損傷部位PIEZO2表達顯著增加，神經纖維結構更為清晰有序，膠原沉積更為致密。免疫熒光顯示雪旺細胞活性增強，血管生成加速。電生理測試表明神經傳導速度和復合肌肉動作電位明顯改善，透射電鏡和甲苯胺藍染色顯示髓鞘厚度和軸突直徑顯著恢復。行為學測試進一步證實了感覺和運動功能的恢復，且材料表現出良好的生物相容性。

圖5. 超聲波驅動壓電水凝膠促進SD大鼠外周神經損傷后的神經再生與功能恢復 （A）大鼠坐骨神經擠壓傷模型示意圖。（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）熒光強度統計。（H）神經傳導速度與復合肌肉動作電位統計。（I）肌電圖曲線。（J）髓鞘透射電鏡圖像。（K）甲苯胺藍染色。（L-M）軸突直徑與髓鞘厚度統計。（N）腓腸肌層粘連蛋白染色。（O）熱板實驗反應潛伏期。

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

圖6. 壓電水凝膠在恒河猴外周神經損傷模型中的療效與生物安全性 （A）手術與植入示意圖。（B）PIEZO2免疫組化染色。（C）陽性染色定量。（D）神經縱向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計。（J）皮膚Masson染色。（K）電生理記錄電極設置。（L）電刺激記錄電位。（M）髓鞘透射電鏡圖像。（N）甲苯胺藍染色。（O）軸突直徑與髓鞘厚度統計。

針對中樞神經系統，研究團隊在大鼠和比格犬脊髓損傷模型中驗證了該系統的療效。在大鼠模型中，壓電水凝膠植入后，PIEZO1通道被激活，背根神經節細胞的靜息電位和鈣電流密度顯著改善。星形膠質細胞瘢痕形成減少，神經元存活和軸突再生增強，行為學測試顯示運動功能和情緒狀態明顯恢復。在比格犬模型中，超聲驅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性恢復，組織學分析證實神經元存活率提高，且系統在主要器官中未引起毒性反應。

圖7. 超聲波驅動壓電水凝膠促進SD大鼠脊髓損傷后的神經再生與功能恢復 （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）背根神經節全細胞膜片鉗示意圖。（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）熒光強度統計。（I）NeuN、GAP43、CD34免疫熒光。（J）熒光強度統計。（K）CS-56與谷氨酰胺合成酶免疫熒光。（L）熒光強度統計。（M）開場實驗軌跡圖與分析。

圖8. 超聲波驅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計。（H）Olby評分統計。（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，該研究開發的機械活性壓電水凝膠生物電子學系統成功實現了從機械能到電能再到生物能量的多級轉換，通過激活膠質細胞中的PIEZO通道—鈣信號—CREB軸心，促進線粒體融合與能量代謝重組，從而支持神經再生。在多種動物模型中的驗證展示了其廣泛的適應性和良好的生物安全性，為中樞及外周神經損傷的臨床治療提供了新策略。未來研究將進一步明確對PIEZO激活最敏感的膠質細胞亞群，并開發實時監測技術以揭示機械信號轉導的動態過程。

來源：高分子科學前沿