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【导读】
电刺激可能增强神经干细胞（NSCs）的神经元分化，用于治疗创伤性脑损伤。然而，干细胞在被移植后离开刺激环境，其电刺激效果会减弱。最新研究提出，使用无线电纳米贴片包裹干细胞，即导电石墨烯纳米片，可以有效地解决这一问题。在实验中，纳米贴片包裹的干细胞被移植到脑损伤的雄性小鼠体内，并每天暴露于旋转磁场30分钟，28天内显著改善了脑组织、行为和认知能力。
2024年8月22日，山东大学晶体材料研究院仇吉川团队在《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。这项研究通过个体化电刺激增强移植干细胞的作用，为治疗神经退行性疾病提供了新途径。
研究介绍
创伤性脑损伤（TBI）是全球致残和死亡的重要原因。TBI会导致大脑的机械损伤，并引发广泛的皮质网络异常，包括功能性神经元的死亡和突触回路的破坏。尽管NSCs疗法显示出重建神经回路和恢复脑组织的潜力，但由于在损伤环境中分化为功能性神经元的精确性存在挑战，其治疗效果受到限制。
脉冲电刺激是一种增强神经发生和治疗神经疾病的有效方法。然而，传统电刺激会带来额外的伤害、炎症和感染风险。而且，传统电极与干细胞联合注射并对单个细胞进行精准电刺激困难重重。基于电磁感应或压电效应的无线电刺激在神经再生方面获得了关注，但这些方法无法单独刺激移植的干细胞。
本次研究中，团队提出使用导电石墨烯纳米片包裹NSCs的膜，通过原位生成的电信号刺激NSCs神经元分化，从而有效治疗TBI。包裹的NSCs在周期性磁场作用下，能有效分化成新功能神经元，显著改善脑损伤组织的修复以及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
纳米贴片的无线电刺激显著促进了神经元分化效果。结果表明，在周期性磁场作用下，纳米贴片包裹的NSCs其分化能力与纳米贴片浓度成正比，然而，当浓度从60μg/mL增加至90μg/mL时，干细胞表达的MAP2和Tuj1未见显著差异。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佳，较小或较大尺寸的纳米片则效率较低。
在旋转磁场下，纳米贴片的无线电刺激显著增强了NSCs的神经分化，Nanopatch+MF组MAP2阳性细胞比例高达41%，远高于对照组的16.8%。更长的培养时间进一步增加了Tuj1和MAP2的表达量，同时降低了GFAP的表达量。这些结果表明，纳米贴片的无线电刺激大大提高了NSCs的神经分化量。
在TBI治疗中，与对照组相比，TBI+NSCs+Nanopatch+MF组小鼠表现出更好的记忆能力和注意力，并显著改进了运动功能。TBI+NSCs+Nanopatch+MF组的皮质损伤减少了3.5倍，显示了更完整的组织修复效果。此外，纳米贴片对神经胶质细胞和炎症的激活影响最小，显示出良好的生物相容性。
研究结论
团队开发了一种无线电纳米贴片，通过包裹细胞膜并产生无线电刺激，显著增强NSCs向功能性神经元的分化。包裹NSCs的移植在周期性磁场下显著促进了损伤脑组织的修复效果。将无线电纳米贴片应用于干细胞治疗将有广阔前景。不过，由于目前设备的限制，未来可能需要通过替代装置（如经颅磁刺激设备）来提供更强的磁场和频率，以进一步增强治疗效果。
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