山東大學(xué)晶體材料全國重點實驗室劉宏教授學(xué)科交叉創(chuàng)新團隊與山東大學(xué)齊魯醫(yī)院、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院合作，開發(fā)了一種鈦酸鋇-還原氧化石墨烯復(fù)合壓電納米細胞貼片，在超聲驅(qū)動下，可在細胞表面原位產(chǎn)生無線可控電信號，精準激活神經(jīng)干細胞跨膜離子通道，實現(xiàn)了干細胞快速高效分化，為治療創(chuàng)傷性腦損傷提供了創(chuàng)新思路，相關(guān)成果以“Ultrasound-activated piezoelectric nanostickers for neural stem cell therapy of traumatic brain injury”為題，日前在線發(fā)表于Nature Materials。劉宏教授學(xué)科交叉創(chuàng)新團隊博士研究生王文晗、李克熠為本文共同第一作者。晶體材料全國重點實驗室教授仇吉川、劉宏、桑元華，齊魯醫(yī)院教授李剛，基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院教授易凡為共同通訊作者。該成果將被Nature Materials Research Briefing欄目亮點報道。
神經(jīng)干細胞可以分化為功能神經(jīng)元重塑神經(jīng)環(huán)路，在神經(jīng)損傷修復(fù)方面具有重要應(yīng)用價值，然而，其分化效率低、速度慢等問題制約了治療效果。近些年的研究表明，電刺激不僅能夠調(diào)控神經(jīng)活動，還可促進神經(jīng)干細胞向功能神經(jīng)元分化修復(fù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。但傳統(tǒng)的電刺激需植入電極會造成二次損傷、免疫排斥和感染。壓電納米材料在超聲激勵下發(fā)生形變可產(chǎn)生表面壓電電勢，這種特性為細胞和組織的無線原位刺激提供了新型技術(shù)途徑。此外，由于超聲波具有優(yōu)異組織穿透能力，該技術(shù)特別適用于深部組織的細胞命運調(diào)控。然而，研究團隊在實驗中發(fā)現(xiàn)，分散的鈦酸鋇壓電納米晶體極易被神經(jīng)干細胞內(nèi)吞并富集在溶酶體中，其在超聲激勵下產(chǎn)生的壓電電勢無法精準刺激到細胞膜表面的電壓門控受體。此外，在溶酶體酸性環(huán)境中，壓電電勢誘導(dǎo)產(chǎn)生了大量活性氧類物質(zhì)，引發(fā)細胞毒性并導(dǎo)致神經(jīng)干細胞死亡。針對上述問題，研究團隊基于材料-細胞相互作用規(guī)律，設(shè)計了鈦酸鋇-還原氧化石墨烯復(fù)合壓電納米貼片。該壓電納米貼片可以錨定在神經(jīng)干細胞膜表面，隨細胞一起動態(tài)遷移，在超聲驅(qū)動下，壓電納米貼片產(chǎn)生的壓電刺激直接作用于細胞膜電壓門控鈣離子通道，激活鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ/環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白信號通路，顯著提高了神經(jīng)干細胞向神經(jīng)元分化的效率和成熟速度，促進形成神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。同時該壓電納米貼片可以避免被細胞內(nèi)吞，防止了溶酶體內(nèi)活性氧類物質(zhì)的產(chǎn)生及其引起的細胞死亡。
錨定有壓電納米貼片的神經(jīng)干細胞可以直接微創(chuàng)移植到大鼠創(chuàng)傷性腦損傷區(qū)域。經(jīng)過每兩天一次的超聲治療，植入的神經(jīng)干細胞可以分化為神經(jīng)元，顯著提高了損傷處新生神經(jīng)元的數(shù)量和密度。28天后有效促進損傷腦組織修復(fù)，恢復(fù)創(chuàng)傷性腦損傷大鼠的運動協(xié)調(diào)與認知功能。該壓電納米貼片及相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)在治療神經(jīng)損傷和神經(jīng)退行性疾病等方面具有重要應(yīng)用前景。
近年來，劉宏教授、仇吉川教授團隊在功能材料治療神經(jīng)損傷和神經(jīng)退行性疾病等醫(yī)工交叉領(lǐng)域取得多項研究成果（Nat. Mater., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Soc. Rev.）。相關(guān)工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、國家高層次青年人才計劃、山東省自然科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者計劃、山東大學(xué)學(xué)科交叉導(dǎo)師創(chuàng)新團隊計劃和晶體材料全國重點實驗室的大力支持。
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