多巴胺能神經元位於中樞神經系統的中腦區域，由此發出的多條神經纖維通路參與認知識別、運動控制、興奮成癮等生理活動，是引起動物一切行為反應的基礎。中腦黑質多巴胺能神經元變性死亡的後果之一是導致帕金森症，這是一種中老年人常見的神經系統疾病；現有治療解決方案包括藥物治療、基因治療和細胞移植、細胞重程式設計等方案。開發非侵入式、簡單並且有效的策略恢復內源性多巴胺神經元的功能仍然存在著巨大的挑戰。
電磁場是生命系統不可或缺的一部分，它影響細胞內通訊、神經元活動、離子轉運，從而影響細胞遷移、增殖和分化，甚至能够對細胞進行重新程式設計。近年來，納米和生物介面相互作用成為大家關注的熱點。壓電材料因為內部原子的特殊排列，使得其在應力場下帶電荷的質點發生相對位移而具有機電耦合效應。它可以很容易地響應外部刺激並將機械能轉換為電能，是一種開展遠程、非侵入性和精准調控神經的非常有前途的工具。由於獨特的能量轉換效能，壓電納米材料在生物醫學中具有廣闊應用前景，例如作為納米藥物中的多級載體、體內成像探針和誘導細胞生長/分化的納米級換能器。具有較高壓電係數和機電耦合係數的納米材料在電磁場產生中的效率很高。
南京大學化學化工學院沈群東教授研究團隊提出使用醫用超聲波遠程激勵壓電納米材料產生可調控的電磁場，在納米-生物介面實現遠程電刺激，用於調節神經可塑性，恢復帕金森動物模型中腦區域退行的多巴胺能神經元的功能。研究者通過水熱法在壓電納米晶體表面複合特定厚度的導電碳殼層，其聲阻抗和生物介質比較接近，降低聲波傳導損耗，並且增强介面處的電子極化。該核-殼結構的納米材料在生物體內顯示了出色的超聲波吸收和電磁場生成效能。在超聲波的聲壓作用下，壓電納米材料的電荷分離導致電勢的產生，電位隨著高頻超聲波產生週期性變化，且產生的電刺激强度足以啟動神經細胞。
圖1.醫用超聲波作用下納米顆粒產生電磁場調控神經示意圖
壓電納米材料接受超聲波後產生電信號傳遞給神經細胞，刺激神經細胞中電壓依賴性離子通道，造成細胞去極化；同時新增了神經突觸可塑性的標誌物——突觸素的表達，並可通過調控神經回路中鈣離子內流控制斑馬魚的尾動。多巴胺是調控中樞神經系統的神經遞質，酪氨酸羥化酶是多巴胺合成的限速酶，是催化L-酪氨酸向L-多巴轉變的關鍵酶。由壓電納米材料產生的電場啟動了酪氨酸羥化酶的表達，並改善了帕金森模型斑馬魚的運動障礙。該電磁化的納米材料在腦部組織中具有良好的生物安全性，為遠端治療神經退行性疾病和神經再生提供了新思路。
沈群東教授課題組近年來專注於功能資料在生物醫學領域的研究，在光響應的能量轉換資料構建人工視網膜（Advanced Materials 2016，28，10684；ACS Applied Materials & Interfaces 2020，12，28759）、能量轉換微機器人遞送和遠程調控分化神經細胞（Advanced Functional Materials 2020，30，1910323）、光響應導電水凝膠修復脊髓神經（ACS Nano 2020，DOI: 10.1021/acsnano.0c05197）、多巴胺響應光學探針腦成像及成癮研究（ACS Applied Materials & Interfaces 2018,10，4359；ACS Applied Materials & Interfaces 2015，7，18581）、能量轉換納米材料調控細胞內微環境促進腫瘤凋亡（Advanced Materials 2016，28，3313；Angewandte Chemie International Edition 2017，56，2588；Small 2019，15，1900212）、鐵電高分子柔性脈搏感測器診斷心血管系統（Advanced Functional Materials 2016，26，3640）等方面開展了一系列的工作。
相關論文線上發表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202003800）。南京大學化學化工學院博士生趙娣和豐培堅為該論文共同第一作者，沈群東教授、杭州電子科技大學的陳迎鑫副教授為該論文的共同通訊作者。南京大學生命科學學院朱景寧教授和化學化工學院徐靜娟教授給予了協助。研究課題得到國家重點研發計畫重點專項、國家自然科學基金等項目的資助。
文獻資訊
標題：Electromagnetized-Nanoparticle-Modulated Neural Plasticity and Recovery of Degenerative Dopaminergic Neurons in the Mid-Brain
連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003800