暨南大学王吉壮/李丹教授团队与师蕾教授团队Adv. Mater.：硅基复合微机器人用于精准光神经调节

导语

神经调控是指利用植入性或非植入性技术，通过电刺激或药物手段改变中枢神经、外周神经或自主神经系统活性，对于神经疾病治疗以及脑科学的发展至关重要，尤其是单细胞精度的靶向调控能够为神经环路以及动物行为研究提供坚实的基础科学依据，推动神经科学的应用发展。非遗传光神经调节是极具应用潜力的神经调控技术之一。不同于光遗传技术依赖于基因编辑使神经细胞中表达光敏蛋白。非遗传光神经调节技术不需要对基因进行修饰，而是通过递送至细胞或者组织的光电响应性材料产生的物理化学信号进行作用，能够达到最小程度的侵入性和高时空精确度。但是，目前基于光响应材料的非遗传光神经调节策略仍难以实现精确的靶向调控，是该技术发展面临的主要问题之一。微纳机器人作为一种具有精确操控性能的微纳器件，通过耦合光电激励信号，有望为精准光神经调节研究提供一种全新的手段。

前沿科研成果

硅基复合微机器人用于精准光神经调节

近日，暨南大学化学与材料学院王吉壮/李丹教授团队与药学院师蕾教授团队在该领域取得重要进展，相关工作以“Magnetically Manipulated Optoelectronic Hybrid Microrobots for Optically Targeted Non-Genetic Neuromodulation”为题发表在国际权威期刊Advanced Materials（https://doi.org/10.1002/adma.202305632）。

图1. MOHR靶向光神经调节的示意图。（图片来源：Advanced Materials）

研究团队开发了一种基于硅纳米线太阳能电池结构的磁控复合微机器人（MOHR），MOHR能够通过旋转磁场实现精准的磁操控，同时硅基太阳能电池结构能够提供高效的光电刺激信号，可以实现可见光激发下的非遗传光神经调节。通过对构建的阿尔茨海默病（AD）神经元模型治疗，表明该微机器人能够显著促进AD病理中神经元的功能恢复，并在体内表现出良好的神经元激活效应。

图2. MOHR的多模式磁操控。（图片来源：Advanced Materials）

磁操控是一种研究最为成熟的微纳机器人操控方式，不仅能够提供精确的磁驱动和操控能力，并且无需驱动燃料添加，因此具有非常好的生物兼容性。在该研究中，利用外置三维亥姆霍兹线圈对MOHR实现了精确的磁操控。得益于MOHR的纳米棒结构，可以通过预设磁化方向获得多模式的驱动，包括轴向滚动，径向滚动和摆动，而不同的运动方式使得MOHR可以应对不同的生物环境。三种运动模式下的MOHR均具备有很好的磁驱动性能，同时也可通过预设程序实现MOHR自动控制的精准路径运行，证明了其操控的精确性。

图3.原位光刺激神经细胞性能表征。（图片来源：Advanced Materials）

当MOHR被运送到神经细胞附近时，会被內吞到细胞内部（图4b, c）。在可见光刺激下通过测量细胞兴奋的指标—钙通量可以验证其激活效果。通过图4d, c可以看到绿色钙荧光探针Fluo-4AM标记的细胞，随着照射时间的增加，MOHR被持续激活，同时钙离子流量升高，表现为绿色荧光强度的增加，表明MOHR的激活引起了神经2a细胞的兴奋。

为了更为直接的测量细胞的激发效果和定量比较不同材料的性能，在HT22细胞中加入材料后，记录了电流钳模式下的膜电位的变化。与Si或MIS相比，内化MOHR的细胞中产生的电位响应要强烈得多。这些结果表明，在所研究的材料中，MOHR是诱导细胞兴奋的最佳材料，在促进细胞损伤后功能恢复方面具有很大的潜力。

图4. MOHR在生物环境中的单个和群体操控以及原位光刺激的神经元修复。（图片来源：Advanced Materials）

MOHR在实际生物环境中操纵的能力是能够应用的基础。在细胞环境和不同生物体液中的运动测试证明MOHR不仅可以在不同的液体环境，如PBS，人工脑脊液和血液中进行运动，且不同液体环境对其运动状态影响不大；还可以精确靶向到特定神经元细胞。在流动的血液环境中，也证明了摆动运动状态的MOHR具有对抗血流的效果。

此外，对于特定脑区的刺激干预，集群能够提供足够强的信号和刺激范围。因此，进一步的集群操控也具有重要意义。为了证明靶向光神经调节的性能，研究者们设计了一个桥连的双孔培养系统，将MOHR集群注入通道中间以模拟真实的生物环境，靶向到一端的培养槽内，可以看到MOHR集群的总运动距离超过10毫米。通过构建阿尔茨海默病（AD）致病因子β淀粉样蛋白多肽Aβ42寡聚物损伤的海马神经元作为AD神经元的模型，在MOHR刺激前后分别向神经元注入一系列递增电流，然后测量正常神经元和损伤神经元的放电频率以检测它们的兴奋能力。与内化MOHR的正常神经元（不含Aβ42）相比（图5i，上），Aβ42损伤神经元的放电频率降低（图5i）。然而，在这些受损神经元（含有MOHR）被激光照射激活后，神经元的兴奋性得到了恢复（图5i, j）。研究人员同时发现，具有内化MOHR的正常神经元的兴奋性没有被激光照射所改变，这表明MOHR不影响健康神经元的基础兴奋性，但可对受损伤的神经元进行再激活。

图5. MOHR光声成像操控及体内激活海马神经元。（图片来源：Advanced Materials）

光声成像是一种具有高精度、无损伤的成像方式，非常适合微纳机器人在实际生物体内的显像引导。如图6a所示，在光声成像的引导下，MOHR集群能够在模拟血管中实现磁操控输运。

为了证明MOHR在体内的神经学作用，研究人员通过脑立体定向注射将MOHR集群注入C57BL/6小鼠海马(图6b)。MOHR内化24 h，激光照射30 min后，海马神经元明显激活，神经活性标记蛋白cFos表达显著增加(图6c,d)。为了检验MOHR是否能诱导免疫应答，研究人员测量了MOHRs治疗24小时后海马中炎症因子的表达。注射MOHR后，白细胞介素(IL)-1β、IL-6和肿瘤坏死因子(TNF)-α的水平没有显著升高。这些结果表明，MOHR在脑内神经元细胞激活方面具有很大的应用潜力。

综上所述，研究人员证明了MOHR能够实现精准的磁控靶向操控，通过耦合光电刺激诱导细胞内钙浓度快速增加并发生细胞膜去极化。MOHR的这些特性使其能够恢复AD样（Aβ42损伤）神经元的兴奋性。此外，小鼠在体实验显示，MOHR在大脑中可诱导明显的神经元活动，而不会引起严重的免疫副作用。这种微纳机器人技术在精确定向的非遗传光神经调节方面具有良好的潜力，可以原位调节所需的细胞群并提高细胞兴奋性，促进AD病理中神经元的功能恢复，并在体内表现出良好的神经元激活效应，有望为神经元调控以及相关的作用机制探索的基础研究提供一种可靠的手段。

该论文共同第一作者为暨南大学研究生高宇昕、郭媛和博士生杨曜榕，通讯作者为王吉壮、师蕾和李丹教授，暨南大学为唯一通讯单位，香港大学唐晋尧教授课题组也参与研究。研究工作得到了国家自然科学基金、国家自然科学基金重点项目、广东省重大基础与应用基础计划、广东省重点领域研发计划、广州市科技计划项目和暨南大学等项目大力支持。

团队简介

王吉壮，暨南大学化学与材料学院副教授。2018年于香港大学化学系获得博士学位，2018-2020年在香港大学从事博士后研究；于2020年加入暨南大学化学与材料学院，并加入李丹教授领导的超分子配位化学研究所，从事微纳机器人与复合功能材料的研究。迄今为止在Sci. Adv., Adv. Mater., Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Acc. Chem. Res., ACS Nano等国际权威期刊发表论文20余篇，总引用1700余次。授权中国发明专利4项，国际发明专利1项。主持国家自然科学基金-面上项目和青年基金等7项科研项目。

师蕾，暨南大学药学院研究员，博士生导师，国家优秀青年基金、教育部“新世纪优秀人才”、中英“牛顿高级学者”获得者。主要研究神经精神疾病的脑区-细胞-分子病理机制，揭示正常和病理改变下神经行为的分子和细胞基础，通过神经发育及脑环路连接研究、突触形态与功能分析、分子信号通路解析等手段，研究揭示分子病理机制，从中发现可能的干预策略。在Nat Neurosci、Neuron、Mol Psychiatry、Trends Neurosci、PNAS、EMBO Rep等神经科学领域高水平期刊发表论文40余篇，总引用2000余次。先后主持1项国家重点研发计划子课题、6项国家自然科学基金、5项省部级基金。

课题组主页： https://shigroup.jnu.edu.cn/

李丹，暨南大学化学与材料学院院长、教授、博士生导师。从事超分子配位化学的研究工作，为合成技术、材料创新和晶体工程积累了实践经验及理论基础。现任J. Mater. Chem. A和Mater. Adv.副主编。国家杰出青年基金获得者（2008年），英国皇家化学会会士（FRSC，2014年），中国化学会首批高级会员（2020年）。主持国家自然科学基金原创探索计划、重大研究计划和重点项目等，国家973计划（课题组长）等。在国际权威学术刊物如Nature, J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.等发表学术论文近300篇。获国务院“政府特殊津贴专家”，入选首届国家“万人计划”领军人才；曾获得广东省科学技术一等奖(第一完成人)、第十五届广东省丁颖科技奖。

课题组主页： https://iscc.jnu.edu.cn/main.htm

邀稿

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