拓扑水凝胶用于长期脑信号监测、神经调控和中风治疗

原标题:长春应化所张强研究员/中国人民解放军联勤保障部队第九八九医院常祺主任《AM》: 拓扑水凝胶用于长期脑信号监测、神经调控和中风治疗

在没有有效康复方法的情况下,中风是导致残疾的主要原因。新兴的脑机接口有望调节大脑神经回路,促进大脑功能紊乱的恢复。可植入探针在脑机接口中发挥着关键作用,但在导电性和模量匹配/透光性之间存在两种不可调和的权衡。因此,开发具有良好导电性、组织模量匹配性以及透光性的可植入神经探针以实现神经退行性疾病(如中风)的诊疗仍具有极大挑战性。近日,长春应化所张强研究员与中国人民解放军联勤保障部队第九八九医院常祺主任在该领域取得进展,相关研究成果以“Topological Hydrogels for Long-Term Brain Signal Monitoring, Neuromodulation, and Stroke Treatment”为题发表在Adv. Mater. (DOI: 10.1002/adma.202310365)。中科院长春应化所沈珍珍博士为第一作者,中科院长春应化所张强研究员和中国人民解放军联勤保障部队第九八九医院常祺主任医师为通讯作者。

【文章要点】

为实现神经探针导电性和模量匹配性/透光性之间的权衡,该工作通过在拓扑水凝胶中引入机械互锁的聚轮烷结构(PR-PEGMA)作为水凝胶的交联剂,PR-PEGMA 中环糊精(CD)可以像滑轮一样沿着PEG链自由滑动,使得制备的水凝胶具有低弹性模量和高强度;聚(3,4-亚乙基二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)作为导电填料,PEDOT沿着CDs上的PEG链紧密排列使得水凝胶产生高导电性。此外,CDs在PEG主链上的滑动作用减少了PEDOT链的聚集,从而减少了PEDOT与光波相互作用,增强了光学透明性能。并进一步证明了拓扑水凝胶是理想的可植入神经探针,可用于获取大脑信号、调节大脑神经回路和治疗中风。首先,将基于拓扑水凝胶的神经探针插入大鼠大脑的海马CA1区2个月,以获取长期的脑神经信号。在2个月的植入测试中,该探针显示出比Pt和其他传统的基于共价交联水凝胶的探针更好的传感性能。第二,利用水凝胶探针成功地进行了光遗传学神经调控,这使得能够研究动物行为和同步的原位脑神经信号。最后,利用光遗传学神经调控成功地激活了中风大鼠的脑神经回路。在光遗传学刺激后,观察到中风大鼠大脑受损区域的大幅减少和运动功能的恢复。

图1. 拓扑水凝胶结构、性能和作为植入式神经探针的应用示意图。

PR-PEGMA和拓扑水凝胶的制备

PR-PEGMA是通过将15个CDs穿过单个PEG主链并用2,4-二硝基氟苯封端,然后用PEGMA侧链对CDs进行官能化来制备的。拓扑水凝胶(APxPyH)是在PEDOT:PSS存在下,通过PR-PEGMA和丙烯酰胺(AAm)的共聚制备的,其中x和y分别表示水凝胶中PR-PEGMA和PEDOT:PSS的质量分数。使用低温扫描电子显微镜(cryo-SEM)研究拓扑水凝胶的形态,并显示出多孔网络结构。

图2. PR-PEGMA及其拓扑水凝胶的合成。

脑神经信号监测

拓扑水凝胶(AP6P1H)由于具有良好的生物相容性和高导电性具有长期记录脑神经信号的能力。首先,使用AP6P1H记录了处于睡眠状态的大鼠的LFP信号,其在θ节律中表现出较大的幅度和功率。为了进行比较,制备金属电极(Pt)和共价交联水凝胶电极(ABP1H),并用于在相同条件下记录LFP。Pt电极获得的LFP信号表现出最高的幅度,这归因于Pt优异的本征导电性。与其他两个电极相比,ABP1H电极由于其低导电性而获得最弱的LFP。一般来说,神经调控和脑疾病治疗需要长期应用植入脑组织的神经电极。通过连续记录大鼠处于睡眠状态下8周的LFP信号来研究这些电极的长期适用性。AP6P1H电极在8周信号记录中获得了相对稳定的LFP信号。除了自发LFP外,还使用AP6P1H电极记录体感诱发电位,麻醉大鼠的LFP信号显示出典型的δ振荡节律(0–2 Hz)。当用夹子夹住大鼠的尾巴时,δ节律变为θ节律(2–7 Hz)。这些结果验证了AP6P1H电极记录各种振荡节律的优异能力。

图3. 拓扑水凝胶神经探针在脑神经信号监测中的应用。

光遗传学调控

光遗传学神经调控通过直接调节靶向脑功能区,为治疗脑功能紊乱提供了有前景的技术。通常,由于自身结构的局限性,电极和光纤会有几毫米的间距,分离的结构导致在响应光遗传学调节时获得原位神经信号的困难增加。在此,我们使用AP6P1H同时作为光纤和电极,由于其高导电性和透光性,可以同时记录响应光遗传学调控的原位神经信息。当用蓝色脉冲激光(473 nm)刺激M1区域时,获得清晰的LFP信号,并且LFP信号频率(1–20 Hz)与激光频率匹配。使用AP6P1H光纤电极连续进行4周的光遗传学调制,在神经调控的4周内未观察到明显的信号衰减。结果证明了AP6P1H光纤电极在长期神经调控应用中的适用性。M1区域涉及包括躯体和肢体运动的控制。因此,可以通过M1区域的光遗传学神经调控来调节大脑神经回路,以控制动物行为。将蓝色脉冲(20 Hz,20 mW)施加到大鼠的M1区域时,在大鼠进行相应的肢体行为时,能同时观察到相应的LFP信号, LFP信号和相应的肢体行为分别通过蓝色脉冲激光的打开和关闭来触发和终止。

图4. 拓扑水凝胶神经探针在光遗传学调控中的应用。

中风治疗

光遗传学调节可以选择性地触发或抑制特定的神经元和神经回路,以促进轴突发芽并重新连接大脑回路。首先建立局灶性大脑中动脉栓塞模型(MCAO),对中风大鼠进行为期12天的连续光遗传学调节,用2,3,5-三苯基氯化四氮唑(TTC)对脑组织进行染色以进行梗死识别,当进行12天的连续光遗传学调节时,梗死体积减少到4%,而自我恢复的中风大鼠的梗死体积减少到15%。NeuN免疫染色结果显示,经过12天的光遗传学调控的中风大鼠NeuN水平显著升高。缺氧诱导因子-1(HIF-1α)作为识别脑缺血区域的生物标志物,在脑卒中大鼠的梗死区域高度表达。与自我恢复的大鼠相比,受刺激的大鼠在梗死区域观察到的HIF-1α荧光强度要低得多。为了研究光遗传学调控对中风恢复的影响,分别进行了旋转梁测试(rotating beam tests)、转角测试(corner turn tests)和前肢放置测试(forelimb placement tests),这些结果都证明了光遗传学调控在促进中风大鼠运动功能恢复中的重要作用。

图5. 拓扑水凝胶神经探针在光遗传治疗中风中的应用。

【总结】

研究团队提出了一种通过利用机械互锁聚轮烷的滑轮效应来克服电子导电性和模量匹配性/透光性之间的权衡。所获得的拓扑水凝胶与传统水凝胶的区别在于其优异的电子传导性、良好的模量匹配性和高透光性。这些独特的特性使AP6P1H电极能够长期稳定地记录LFP信号,与传统电极相比,AP6P1H电极能够产生更强的信号强度和较弱的信号衰减。高导电性和透光性使AP6P1H电极既可以作为神经电极,也可以作为光纤,同时进行光遗传学调控和记录原位神经信号,最后证明了利用脑神经信号记录和光遗传学调控技术可以成功治疗中风大鼠。这一应用的成功归功于水凝胶的独特性质,因为它们具有特殊的拓扑结构。这项工作在设计神经电极、记录脑神经信号、进行神经调控和治疗中风方面取得了重大进展,是了解脑神经信息和治疗脑功能紊乱的重要一步。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202310365

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张强,中国科学院长春应用化学研究所研究员、博士生导师。主要从事生理信息在线监测研究(脑机接口和可穿戴生物传感器)。在Adv. Mater.,Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表SCI论文60余篇,撰写7部英文专著章节。研究成果被新华社、光明日报、腾讯新闻等60余家主流媒体报道,单次报道最高阅读量接近100万次。曾获得Wiley高被引作者奖(2023)、国际先进材料学会会士(2023)、Wiley 2021-2022年度高被引作者奖(2023)、吉林省高层次人才(2023)、国际先进材料学会青年科学家奖章(2022)、“防治新冠疫情临床需求及创新方案征集活动”优秀奖(2020)、Materials Horizons 杰出论文奖(2019);被英文期刊 Front. Chem.评为“化学前沿新星 2020”;入选阿尔伯塔技术创新学者(2015)。目前担任:广东院士联合会脑科学与类脑智能专业委员会委员、中国创造学会人居环境专业委员会委员。

常祺,医学博士,专业技术大校,主任医师,博/硕士研究生导师,军事训练医学博士后指导教师。全军军事训练医学研究所所长,联勤保障部队第九八九医院骨科主任。军委后勤保障部军事训练伤防控领域专家,担任全军军事训练伤防控指导专家组副组长,国家临床重点专科“军事训练医学”负责人,河南省医学重点专科创伤外科主任,河南省创伤与运动康复医学重点实验室主任。获得全军科技进步一等奖、二等奖各1项、中国康复医学会一等奖1项,河南省科技进步奖一等奖1项、二等奖2项、三等奖1项,洛阳市科技进步一等奖2项。目前主持国家、军队及省部级以上课题多项,以第一或通讯作者发表包括国际顶尖的学术杂志《Advanced Materials》《Advanced Functional Materials》在内SCI论文30余篇,发表国内核心期刊论文70余篇,出版专著23部,专利30余项。享受全军优秀技术人才一类岗位津贴,荣获二等功及三等功各一次。入选联勤保障部队首届“三才一队”人材工程,获评联保中心第五届“出彩联勤人”称号。擅长领域为军事训练伤防治、骨关节创伤修复、创伤后运动康复。