AM：山东大学仇吉川等团队揭示纳米电极介导的细胞外电刺激途径增强帕金森病治疗效果

帕金森病（PD）是一种由多巴胺能神经元功能障碍和死亡引起的神经退行性疾病。基于神经干细胞（NSC）的疗法是治疗PD的一种有效方法，但其治疗效果受到NSC向多巴胺能神经元分化效率低的限制。虽然电刺激可以促进神经元分化，但尚未验证其是否能诱导NSCs特异性分化为多巴胺能神经元。同时，对移植后动态迁移的NSC精确施加电刺激是一个巨大挑战。

2024年12月20日，山东大学仇吉川、桑元华和山东大学/济南大学刘宏、山东中医药大学孔亮共同通讯在 Advanced Materials 在线发表题为 “Nanoelectrode-Mediated Extracellular Electrical Stimulation Directing Dopaminergic Neuronal Differentiation of Stem Cells for Improved Parkinson's Disease Therapy” 的研究论文。该研究将电化学剥离的石墨烯纳米片锚定在NSC膜上，用作无线纳米电极。

这些纳米电极锚定到细胞膜后，能够与细胞一起迁移，并在交变磁场下精确地对移植细胞膜上的受体或离子转运通道施加细胞外电刺激。纳米电极介导的电刺激诱导38.46%的NSCs特异性分化为多巴胺能神经元，而没有纳米电极刺激的NSCs的百分比仅为5.82%。在交变磁场下，用纳米电极锚定的NSCs移植可在2周内有效恢复PD小鼠的运动和记忆能力。

帕金森病（PD）是全球最常见的运动障碍之一，影响约1%的60岁以上的成年人。PD是一种由多巴胺能神经元优先功能障碍和死亡，以及多巴胺能黑质纹状体轴突投射变性引起的神经退行性疾病。多巴胺能神经元对于控制多种大脑功能（包括认知和运动行为）至关重要。目前，PD的治疗主要基于能够增加中枢神经系统中多巴胺浓度或激活多巴胺受体的药物。虽然临床试验已经有了几种候选药物，但多巴胺前体l-3,4-二羟基苯丙氨酸可以转化为神经递质多巴胺，仍然是帕金森病的主要治疗药物。然而，包括l-3,4-二羟基苯丙氨酸在内的药物不能逆转多巴胺能神经元的退行性过程。此外，长期使用多巴胺能药物可能会引发一系列并发症和不良反应。干细胞可以提供新生的多巴胺能神经元来替代和修复功能失调或死亡的多巴胺能神经元，被认为是治疗PD的替代策略。在众多类型的干细胞中，胚胎干细胞（ESC）、诱导多能干细胞（iPSC）和神经干细胞（NSC）已被提议用于PD治疗。然而，诱导ESC和iPSC分化为神经元需要复杂和长期的治疗，限制了其实际应用。相比之下，NSC可以在短时间内自发分化为多种类型的功能性神经元，是治疗PD等神经系统疾病的潜在候选者。然而大多数移植的NSC更喜欢分化为星形胶质细胞而不是神经元，更不用说特定的多巴胺能神经元，限制了其在帕金森病治疗中的应用。

脉冲电刺激是促进NSCs神经元分化和修复神经损伤的有效方法。电刺激可以通过影响细胞膜活性和激活细胞膜受体或离子转运通道来促进NSCs的神经元分化。该团队已经证明金或石墨介导的电刺激可以促进NSC的神经元分化。有研究报道，能够在超声下产生脉冲电信号的聚-L-乳酸压电支架促进了干细胞的神经元分化，改善了脊髓损伤的修复。目前尚不清楚电刺激是否可以将干细胞分化为特定的多巴胺能神经元。据报道，电刺激可以上调多巴胺能神经元蛋白的表达。纳米粒子介导的脉冲电信号可以恢复退化的多巴胺能神经元的功能。为此，电刺激是促进NSCs特异性分化为多巴胺能神经元的一种有效方法。

图1 纳米电极介导的细胞外电刺激促进NSC的多巴胺能神经元分化和PD恢复（摘自Advanced Materials ）

然而，如何精确地对每个移植的干细胞进行电刺激一直是干细胞PD疗法的另一个挑战。干细胞在体内处于动态迁移状态，而涉及电极和电线的常规电刺激不能与细胞一起移动。考虑到电刺激是通过激活移植细胞膜上的受体或离子传输通道起作用，作者建议将无线纳米电极锚定到细胞膜上，允许电极与干细胞一起迁移，并在迁移过程中精确地将无线细胞外电刺激应用于膜受体或离子转运通道。无线纳米电极由电化学剥离的石墨烯纳米片制成。由于电磁感应效应，导电石墨烯纳米电极能够产生由交变磁场驱动的脉冲电信号，该交变磁场源自下方的旋转磁体。可以通过改变磁体的转速来控制电信号的强度和频率。为使其能够成功锚定到细胞膜上，用一层层粘连蛋白对纳米电极进行预修饰。简单共孵育后，纳米电极可以有效地附着在NSC膜上。随后，纳米电极上产生的无线细胞外电信号直接作用于膜受体并诱导NSC分化为多巴胺能神经元。与使用传统干细胞移植治疗PD一样，将锚定在无线纳米电极上的NSC注射到纹状体中，这些纳米电极锚定的NSC可以在交变磁场驱动的局部无线电刺激下原位有效分化为多巴胺能神经元，从而恢复PD小鼠模型运动和记忆能力。石墨烯具有良好的导电性和生物相容性，以及其具有柔性和粘合特性的2D形态，将其作为无线纳米电极。2D尺寸最大限度地减少材料的体内使用量，并在附着到膜上后减少其内化。

参考消息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202409745