【Nature子刊】山东大学仇吉川团队：石墨烯纳米贴片，助力干细胞治疗创伤性脑损伤！

2024年8月22日， 山东大学晶体材料研究院仇吉川团队在期刊《Nature Communications》上发表了题为“Wrapping stem cells with wireless electrical nanopatches for traumatic brain injury therapy”的研究论文。这项研究为对移植的干细胞进行个体化电刺激，以治疗神经退行性疾病，开辟了一条新途径。

https://www.nature.com/articles/s41467-024-51098-y

研究介绍

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创伤性脑损伤（TBI）是全球残疾和死亡的主要原因之一。TBI涉及大脑的机械损伤，并引发广泛的皮质网络异常，包括功能神经元的死亡和突触回路的损伤。神经干细胞（NSC）疗法的使用，显示出通过用新形成的神经元，替换受损神经元，来重建神经元回路和恢复脑组织的潜力。由于在指导移植细胞在损伤微环境中分化为功能性神经元方面存在困难，NSC的治疗性能，受到相当大的限制。

脉冲电刺激是增强神经发生和治疗神经退行性疾病的有效策略。然而，传统的电刺激可能会导致额外的受伤、炎症和感染风险。更重要的是，将传统的电极与干细胞一起注射，并精确地将电刺激应用于单个细胞，是很困难的。基于电磁感应的无线电刺激或压电效应，在神经再生和神经调节领域，受到了相当大的关注。例如，能够在超声波下产生无线电刺激的压电材料，已被用于治疗帕金森病和脊髓损伤。然而，无线刺激，不能单独刺激移植的干细胞。

在这项研究中，团队建议使用石墨烯纳米片，作为纳米贴片来包裹NSCs的膜，以原位产生电信号刺激NSCs的神经元分化，实现有效的TBI治疗。这些包裹的NSCs在周期性磁场作用下，可以有效地分化成新的功能神经元，从而显著改善损伤脑组织的修复，TBI小鼠的行为和认知缺陷。

无线纳米贴片刺激，促进NSCs分化和TBI修复的示意图。

研究进展

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纳米贴片介导的无线电刺激促进神经元分化

在周期性磁场作用下，用纳米贴片包裹NSCs，可促进NSCs的神经元分化，其促进作用与纳米贴片的浓度有直接相关关系。然而，随着电纳米贴片的浓度从60μg mL上升到90μg mL，干细胞的MAP2和Tuj1的表达，没有明显差异。

尺寸为1.5–5μm的石墨烯纳米贴片，在促进NSCs神经元分化方面表现最好。这可能是因为尺寸为0.4-1.5μm的石墨烯纳米片附着在细胞膜上后，容易被内吞，而大小为5-10μm的石墨烯纳米片的数量，与相同质量浓度下的其他两种类型的石墨烯纳米片相比太少， 这两者都会降低刺激膜上受体的效率。

在旋转磁场下，纳米斑块介导的无线电刺激，显著促进了神经元分化。与Ctrl组相比，Nanopatch+MF组在第5天和第10天GFAP的表达，分别下降了0.5倍和0.7倍，进一步证明了旋转磁场下的纳米贴片，促进了NSCs在神经胶质细胞上分化为神经元。

Nanopatch+MF组MAP2阳性细胞比例约为41%，也远高于Ctrl组（16.8%）、仅MF组（17.2%）和Nanopatch组（18.5%）。与Ctrl组相比，Nanopatch+MF组表现出更高的神经突复杂性和更大的神经突长度，表明其经历了更高程度的神经分化。当培养时间增加到10天时，团队还观察到Nanopatch+MF组中Tuj1和MAP2的表达较高，神经突发育时间更长。Nanopatch+MF组NSCs的Tuj1和MAP2表达量最高，GFAP表达最低。综上所述，在纳米贴片包裹NSCs后，纳米贴片产生的无线电刺激，大大增强了它们的神经元分化。

在纳米贴片上产生的个体化无线电刺激，促进了纳米贴片包裹的NSCs的神经元分化。

纳米贴片介导的无线电刺激用于TBI治疗

与其他TBI小鼠相比，TBI+NSCs+Nanopatch+MF组的小鼠表现出更强的记忆能力，包括植入未包裹NSCs的小鼠。TBI+NSCs+石墨烯+MF组的小鼠，在NORT测试中也表现出对新物体的显著关注。与TBI组或TBI+NSCs组相比，这些小鼠的探索时间为2倍和1.4倍，表明使用纳米贴片包裹的NSCs治疗后，小鼠与学习和记忆相关的认知能力得到了改善，该NSCs在旋转磁场下实现了个体化的电刺激。TBI+NSCs+石墨烯+MF组的潜伏期时间比TBI小鼠长2.7倍，表明小鼠的运动功能有所改善。上述行为测试结果表明，在600转/分旋转磁场下，将纳米贴片包裹的NSCs移植到TBI小鼠体内，提高了小鼠的运动和记忆恢复。

与其他组的TBI小鼠相比，移植了用纳米贴片锚定的NSCs并用磁场处理的小鼠（TBI+NSCs+Nanopatch+MF），显示出最完整的组织。TBI+NSCs+Nanopatch+MF组皮质病变组织丢失量，较TBI组减少3.5倍。与Sham组相比，由于脑组织损伤，TBI组组织腔明显增加，Nissl密度显著降低。植入未包裹的NSC导致腔体略有减少，Nissl密度略有增加。然而，植入包裹的NSCs并暴露于旋转磁场中，显著减少了空腔并提高了Nissl强度。上述结果表明，在包裹单个NSCs的纳米贴片上产生的无线电刺激，可以显著提高基于NSC的治疗中受伤脑组织的恢复。

TBI+NSCs组和TBI+NSCs+MF组病变部位，与PKH26染色的NSCs重合的DCX和NeuN阳性神经元较少，表明大部分植入的干细胞未分化为神经元。在TBI+NSCs+Nanopatch组中，更多的DCX-和NeuN阳性细胞与PKH26染色的NSCs合并，表明纳米贴片本身略微促进了移植NSCs的神经元分化。在TBI+NSCs+Nanopatch+MF组中，小鼠的DCX和NeuN阳性细胞，与PKH26染色的NSCs的融合程度最高。上述结果表明，纳米贴片驱动的个体化电刺激，可以增强植入干细胞在病变部位的分化，促进TBI的恢复。

术后第30天，团队在麸皮组织中发现了具有典型石墨烯拉曼光谱图案的石墨烯纳米片，表明石墨烯纳米贴片在30天内在体内没有显著降解。与TBI组相比，TBI+NSCs、TBI+NSCs+MF、TBI+NSCs+Nanopatch、TBI+NSCs+Nanopatch+MF组在第30天的炎症和神经胶质激活减少。在所有组中，TBI+NSCs+Nanopatch+MF组的炎症和神经胶质激活最少，这可能是由于该组NSCs神经元分化增强所致。与TBI+NSCs组相比，TBI+NSCs+Nanopatch在损伤部位显示出相似的炎症和神经胶质激活，表明石墨烯纳米片在体内不引起炎症和神经胶质激活。此外，石墨烯纳米贴片在体外，也没有引起BV2小胶质细胞的M1活化。上述结果表明，尽管石墨烯纳米贴片在30天内，未在体内发生明显降解，但它们在小鼠体内具有良好的生物相容性，这保证了无线电纳米贴片未来用于治疗TBI的转化。

用纳米贴片包裹的NSCs处理后TBI小鼠的行为分析，这些NSCs受到旋转磁场的单独刺激。

研究结论

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团队制备了一种无线电纳米贴片，可以包裹细胞膜并产生无线电刺激，以增强NSCs向功能性神经元的分化。包裹的NSC移植，增强了损伤脑组织在变化磁场下的修复。无线电纳米贴片在基于干细胞的神经损伤和神经退行性疾病治疗中，具有广阔的前景。需要注意的是，由于永磁体和旋转电机的限制，团队目前用于提供变化磁场的设置，只能提供160mT的最大磁场和15Hz的最大频率。在未来的实验中，替代装置（例如，经颅磁刺激设备）可以与无线电纳米贴片结合使用。

参考资料：

1.Mass, A. I. R. et al. Traumatic brain injury: progress and challenges in prevention, clinical care, and research. Lancet Neurol. 21, 1004–1060 (2022).

2.Orive, G., Anitua, E., Pedraz, J. L. & Emerich, D. F. Biomaterials for promoting brain protection, repair and regeneration. Nat. Rev. Neurosci. 10, 682–692 (2009).