導(dǎo) 語
近日，《Nature Communications》報(bào)道了一種名為NeuroRing的無線、無引線、無電池的植入物，它包裹在目標(biāo)外周神經(jīng)周圍，并展現(xiàn)出對(duì)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)組織的高度機(jī)械適應(yīng)性。制備好的NeuroRing可以充當(dāng)超聲波接收器，將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電刺激脈沖，從而能夠在需要時(shí)刺激目標(biāo)周圍的外周神經(jīng)。該技術(shù)已在通過精確調(diào)控骶交感神經(jīng)成功治療結(jié)腸炎的案例中得到驗(yàn)證，并為未來生物電子藥物提供了一個(gè)替代非特異性藥理方法的思路。
1、研究背景
在神經(jīng)組織中，動(dòng)作電位是細(xì)胞間通信的關(guān)鍵，通過神經(jīng)元的軸突傳播并在突觸處與其他細(xì)胞相連，影響著幾乎所有器官的功能。因此，神經(jīng)系統(tǒng)的電刺激在治療應(yīng)用中具有重要意義，尤其是在慢性疾病治療中，具有精準(zhǔn)調(diào)控周圍神經(jīng)活動(dòng)的潛力。
傳統(tǒng)治療方法依賴于外部電源和剛性電極，但這些方法存在限制：它們可能限制自然運(yùn)動(dòng)，引起組織創(chuàng)傷和炎癥，甚至可能導(dǎo)致治療失敗。為了彌補(bǔ)這一缺陷，已經(jīng)有許多研究嘗試去開發(fā)在機(jī)械性能上與神經(jīng)組織相接近的柔性電極或高度微型化的無線刺激器。
超聲波（US）接收器作為一種無線、無導(dǎo)線和無電池的電刺激器，它可以通過其壓電元件將超聲波轉(zhuǎn)換為電能。然而，傳統(tǒng)壓電材料的脆性、剛性、加工工藝等因素限制了其應(yīng)用。
因此，對(duì)于未來超聲波接收器的研究來說，進(jìn)一步的材料創(chuàng)新和技術(shù)改進(jìn)將是十分必要的。
2、研究概述
基于功能化導(dǎo)電聚合物的設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了功能化聚苯胺基時(shí)序黏附水凝膠貼片。它可以實(shí)現(xiàn)心臟的同步機(jī)械生理監(jiān)測(cè)和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測(cè)心臟的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和電活動(dòng)。
1.NeuroRing的先進(jìn)概念和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
研究者利用空化效應(yīng)在軟質(zhì)電紡PVDF（聚偏二氟乙烯）纖維基質(zhì)中引入鐵電體多孔結(jié)構(gòu)，這可以在材料的表面和內(nèi)部獲得額外的電偶極子，從而增強(qiáng)電氣性能輸出。這種具有低彈性模量的命名為“NeuroRing”的植入裝置可以作為超聲波接收器，環(huán)繞目標(biāo)周圍神經(jīng)，通過超聲波激活產(chǎn)生電脈沖，以進(jìn)行疾病干預(yù)和治療。
圖1:用于外周神經(jīng)調(diào)控的NeuroRing的先進(jìn)概念與創(chuàng)新材料設(shè)計(jì)
（圖片來自原文）
2.體外神經(jīng)調(diào)控性能檢測(cè)
為了檢測(cè)電荷的動(dòng)態(tài)變化，研究人員將NeuroRing放置于乙醇中，并利用超聲波進(jìn)行刺激，相比其他材料，NeuroRing產(chǎn)生了更高的電壓輸出，并且表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。而在豬皮組織中進(jìn)行離體測(cè)試，研究者發(fā)現(xiàn)，NeuroRing在不同深度下都能夠產(chǎn)生有效的電壓輸出，最高可達(dá)250毫伏以上。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，他們應(yīng)用超聲波刺激類神經(jīng)元樣細(xì)胞，并觀察到明顯增強(qiáng)的Ca2+表達(dá)。這表明，NeuroRing釋放的電荷能夠促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的變化，從而可能通過開啟電壓門控Ca2+通道來促進(jìn)神經(jīng)刺激。綜上所述，研究結(jié)果表明NeuroRing在調(diào)控體內(nèi)多個(gè)深度的神經(jīng)組織方面具有廣闊的潛在應(yīng)用前景。
圖2: 體外神經(jīng)調(diào)控性能驗(yàn)證
（圖片來自原文）
3.生物相容性與機(jī)械適應(yīng)性測(cè)試
通過42天的植入實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了NeuroRing能緊密包裹神經(jīng)并保持功能完整。與常用的袖珍電極相比，NeuroRing在動(dòng)物運(yùn)動(dòng)功能方面表現(xiàn)更為優(yōu)越，未導(dǎo)致神經(jīng)損傷或炎癥反應(yīng)。此外，對(duì)關(guān)鍵器官進(jìn)行的病理學(xué)檢測(cè)未顯示任何異常，進(jìn)一步證實(shí)了其良好的生物相容性。最重要的是，通過超聲刺激實(shí)驗(yàn)證明了NeuroRing能夠有效刺激神經(jīng)并調(diào)控其活動(dòng)，展示了其在神經(jīng)調(diào)控治療領(lǐng)域的潛力。
圖3：NeuroRing的生物相容性和對(duì)大鼠的行為影響
（圖片來自原文）
4.實(shí)例：骶神經(jīng)刺激治療結(jié)腸炎
為了驗(yàn)證NeuroRing在疾病治療中的有效性，研究者提出了采用骶神經(jīng)刺激來治療結(jié)腸炎。通過電刺激治療能減輕結(jié)腸炎癥和疼痛，減少對(duì)心血管系統(tǒng)和其他內(nèi)臟器官的潛在副作用，這成為治療方案的關(guān)鍵。通過超聲脈沖觸發(fā)的干預(yù)療法和測(cè)量神經(jīng)傳導(dǎo)的腦電圖，驗(yàn)證了NeuroRing激活了脊髓傳入和迷走神經(jīng)傳出通路。此外，NeuroRing對(duì)交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)內(nèi)分泌激素的釋放產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)一步證實(shí)了其在神經(jīng)調(diào)控中的作用。在結(jié)腸炎治療方面，NeuroRing通過調(diào)控免疫細(xì)胞、抗氧化酶活性和細(xì)胞因子表達(dá)，成功逆轉(zhuǎn)了DSS導(dǎo)致的結(jié)腸組織損傷，提高了大鼠對(duì)結(jié)腸炎的抵抗力。總體而言，這項(xiàng)研究支持由超聲觸發(fā)的NeuroRing作為神經(jīng)調(diào)控治療結(jié)腸炎的有效手段。
圖4：NeuroRing骶神經(jīng)調(diào)控治療結(jié)腸炎及作用機(jī)制
（圖片來自原文）
3、研究意義
這項(xiàng)研究發(fā)明的無線、無引線、無電池的NeuroRing是生物技術(shù)領(lǐng)域一項(xiàng)重要的創(chuàng)新。該技術(shù)有望通過超聲脈沖觸發(fā)對(duì)外周神經(jīng)的靶向電刺激調(diào)控。目前，NeuroRing已經(jīng)證實(shí)了能夠通過精準(zhǔn)調(diào)節(jié)骶神經(jīng)，有效緩解DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎。這一發(fā)現(xiàn)為NeuroRing作為一種無線、無導(dǎo)線和無電池的電刺激器的實(shí)際應(yīng)用提供了可靠的支持。在未來的研究中，這一技術(shù)具有巨大的臨床潛力，可以在靶向外周神經(jīng)調(diào)控方面為精準(zhǔn)的疾病治療提供新的途徑。
參考文獻(xiàn)：Li T, Wei Z, Jin F, et al. Soft ferroelectret ultrasound receiver for targeted peripheral neuromodulation. Nat Commun. 2023;14(1):8386. doi:10.1038/s41467-023-44065-6
