光电生物调控迎重要进展：科学家起搏成年活体猪心脏，比上一代材料效率提高约25倍

“当猪的生理监测器发出 120bpm 的心率提示声时，手术室内的所有人都被这一成果激动了。即便是那些经验丰富的心脏外科医生也不禁赞叹‘这简直就是魔法’，随后我们反复核对心电图数据，确认了心脏起搏的成功。”

谈及自己的 Nature 一作论文，美国芝加哥大学博士生黎鹏举表示。

图 | 黎鹏举（来源：黎鹏举）

据介绍，在大鼠离体心脏实验中，黎鹏举等人仅使用 0.166mW/mm² 的光强和 10 毫秒的脉冲时间就实现了 240bpm 的稳定心脏起搏，效率比上一代材料提高了近 25 倍。

在小鼠模型中，利用 62.7mW/mm² 的红光进行穿胸刺激的成功，突破了传统刺激方法在生物组织深度上的限制。这一成果证明光电技术能透过相对较薄的胸腔组织，实现心脏的非接触式、远程刺激。

（来源：Nature）

在大鼠模型中，通过左前降支结扎引导急性心脏缺血，再使用低强度脉冲光（0.94mW/mm², 1ms）实现 360 至 600bpm 的稳定心脏起搏，展示了光电刺激技术在疾病模型上的应用潜力。

这表明，即使在心脏功能受损的情况下，光电刺激仍能提供稳定而有效的心脏调控，为未来心脏疾病治疗提供了一种新的治疗手段。

同时，在 1cmx1cm 的大鼠心脏表面上，课题组进行了 100 个不同点位的空间刺激，并构建心室激活图的能力，这是对光电刺激技术空间分辨率和精确度的极大展示。

这不仅允许科学家和医生更深入地理解心电信号在心室内的传播方式，也为开发更为精确的心脏疾病治疗策略提供了强有力的工具。

（来源：Nature）

总的来说，这项标志着光电生物调控技术的一个重要进展。研究期间他们开发的基于硅材料的光电薄膜器件，展现了一种全新的生物体内调控机制。

这种器件能够将脉冲光束转化为电流，可用于直接刺激心肌，实现了世界首次光电材料对于成年活体猪心脏的起搏以及多点位心肌调控。

不仅拓宽了对光电效应在生物组织中应用的理解，也为未来的心脏疾病治疗提供了新的视角和方法。

此外，本项工作在光电材料与生物医学应用领域实现了显著的技术突破，特别是在对大型哺乳动物心脏的精确、多点位、微创调控方面。

课题组开发的基于硅材料的光电薄膜器件，展示了如何克服传统生物电刺激方法的局限性，实现了从单个心肌细胞到整个器官的精准调控。

此外，与光遗传学相比，本次的光电材料方法避免了基因编辑带来的道德伦理问题和脱靶风险，为非遗传调控的生物医学应用提供了一条可行的道路。

它不仅体现了跨学科合作的力量，也指明了未来生物电子学和生物医学工程领域发展的新方向。

一开始并未想过能登上Nature

据介绍，本次项目于 2022 年 6 月 10 日正式启动，那天黎鹏举收到导师的邮件，后者鼓励他探索新型纳米硅材料的潜力，当时的目标并未想过能登上 Nature，而是对这一材料领域的纯粹探索。

经过之前一年的合作项目和个人探索，黎鹏举已经构建了一个关于硅材料不同尺度性能的小型数据库。其中他得到有一个有趣的发现：在相同的光照条件下，较大尺寸的器件往往能产生更大的电流。

这一现象引发了他的好奇：未被光照到的部分是否充当了回电极的角色，从而影响了光电极的饱和电流？

这个假设促使他扩大了实验的范围，从单一的电流大小测试扩展到了电流的空间分布探索，这一过程中也激发了更多的创新思维，帮助他筛选出了最优的器件设计。

在这个过程中，导师也提出了许多富有洞察力的建议，帮助他不断完善模型。

随后，黎鹏举开始进行生物实验。在攻读博士学位之前，他几乎没有任何生物学背景或实验经验，但这正是他加入实验室后渴望学习的领域。

在该实验室，每位成员的背景都是多样化且独特的。这里的氛围开放且友好，人人以坦诚相待，互相支持，使得新成员能够迅速融入。

得益于这种浓厚的学术氛围，黎鹏举很快就从师兄师姐那里学习到了细胞实验技术和小型动物手术的技巧。

与实验室的生物学专家博士共同开发了一套大鼠急性心脏缺血模型，以用于探索光电刺激的效果，并在此模型上验证了心室表面多点位刺激的可行性。

项目的一个关键转折点是与心脏外科系的教授合作，这得益于黎鹏举的导师在内外部的广泛联系。后来，他们在多只成年猪上验证了器件的可重复性和可靠性。

那么，为什么选择用光来调控？光的优势在于它具有出色的远程属性和高时空间调控性，能够对物体进行随机访问（random-access），具有指哪儿打哪儿的特点。

因此可以比较容易地调控光斑的覆盖面积、脉冲光的时间精确度（例如飞秒激光技术）、以及占空比来匹配生物电信号的时空间属性。

这样的优势是目前其他电极系统不具备的，因为它们的结构设计决定了它们的空间限制，同时也存在电极与电极之间的死角。而且复杂的走线以及线路连接也是一个限制因素。

（来源：Nature）

另据悉，本次研究使用了单片层的单晶硅，通过一种通用设计，实现了跨尺度的生物调控。这种设计避免了以往需要不同尺度材料匹配的复杂性，简化了器件的设计和应用过程。

在单片层硅材料上面临的主要挑战是如何在生理环境中产生足够高的光电流，并保持高空间分辨率。

单晶硅在光伏器件中的广泛应用，得益于它极高的载流子扩散长度，通常能达到几百微米或者毫米级别。这样的性能能够使光电收集效率最大化。

然而，这样的性质在生物电刺激中并不是一个优势，它会让光电流离域化，不能集中在一个小的范围，导致不理想的空间分辨率。

并且，未加修饰的单晶硅光电二极管在生理液态环境中只能产生非常微小的光电流，并不能对生物体产生有效的刺激。

所以本次课题的难点在于，如何既能在生理环境中高效产生足够高的光电流又能拥有极高的空间分辨率，只有这样才能在单片层硅上实现精准或多点位刺激，而不需要任何点阵化设计。

为解决这一难题，他们开发了一种基于膜片钳技术改良的新实验方法，以微吸头测量不同点位的光电流分布。

这一方法允许他们在一维线段、二维平面乃至三维空间上映射光电化学电流。

映射的结果可以让他们比较不同光电材料的时空间性质，包括光电流的大小、精度、准度、分辨率，来筛选出最适合于生物调控的器件。

（来源：Nature）

利用这一方法他们对不同光电硅器件进行了多维度测量，通过四种代表性器件以及设计原理，来展示他们是如何一步一步达到最优化的光电流空间分辨率的。

这四种材料包括 P-N 型单晶硅、P-I-N 型多晶硅、纳米金颗粒修饰的 P-I-N 型多晶硅、以及 P-P 型多孔单晶硅。这几种材料由于有效载流子寿命的不同，导致了不同的光电流局域性。

有效载流子的寿命，会受到体复合、晶界复合、表面复合以及俄歇复合等影响。

以 P-P 型多孔硅为例，由于纳米孔隙极大增加了比表面积，而且光激发产生的电子在 P 型硅里是少数载流子，因此光电流在这个器件内展现出最高的分辨率。

而且纳米孔隙的存在不仅增加了光吸收还提高了电化学性能，所以多孔单晶硅器件还实现了最高的光电流。

（来源：Nature）

据介绍，在细胞层面上，他们首次展示了运用光电器件来对大鼠心肌细胞进行稳定且频率可控的连续起搏。

课题组选用的脉冲光的时间尺度仅为 1ms，每一次曝光都能精确地刺激细胞并产生动作电位和钙离子内流。

通过调节光斑大小，能从单个细胞到细胞团簇、再到细胞单层来精确地控制刺激范围。

这种方法的创新之处在于它允许在光电刺激期间同时进行钙荧光成像，为研究细胞内钙动力学提供了新的工具。

（来源：Nature）

另据悉，他们所研发的硅光电器件采用大约 4 微米厚度的薄膜，它能提高硅的柔性，使其能够更好地贴合曲线生物组织表面。

在成功完成啮齿动物的实验模型之后，联系到芝加哥大学外科系的合作方， 在那里实现了对活体猪心脏的 120bpm 稳定起搏。在不同点位的刺激之下，心电信号也反映了在空间刺激之下不同的心肌激活顺序。

为了进一步向转化应用迈进，他们研究出了一套简便且微创的光电刺激流程，为的是减少病人手术期间的不适，术后创伤以及恢复时间。

以肩袖治疗送药装置为灵感，他们用 3D 打印技术改装完成了一个心脏表面递送装置的原型。这是一个导管式的设备，柔性光电硅膜事先以卷曲的姿态储存在导管中。

研究中，先由外科医生在胸骨之间的肌肉上开一个 0.5cm–1cm 的口，再通过微创手术在心包膜上开一个窗口，就可以实现柔性器件到心脏表面的微创式递送。

导管之内能同时配备一个内窥镜，便于实时监测递送情况。当器件展开并贴合在心脏上面之后，一根细小的光纤便能够通过导管跟内窥镜一起伸入胸腔，对心脏进行实时视觉的刺激和调控。

（来源：Nature）

事实上，在进行猪心脏刺激实验之前，他们对所需刺激阈值几乎一无所知。

了解到大鼠心脏尺寸约为 1 厘米，重量大约 1 克，而猪心脏的大小和重量可能是大鼠的几百倍时，这个信息对他们来说就像是一盆冷水，使得他们对实验成功抱有极低的期待，心里想的只是尝试看看，没想到一下子就获得了成功。

而在投稿时，三位审稿人都对论文做出了非常积极的评价。在第一轮修改中，团队用 3 个月时间产出了 100 页的数据和回复信来解决审稿人提出的问题，论文也在修改一轮之后编辑便决定原则性接收。

审稿人的宝贵意见也极大地丰富了本次研究。根据审稿人的建议，黎鹏举等人补充完善了生物实验部分，深入探索了细胞实验，并新增了一个章节专门讨论在微创和胸腔闭合条件下进行光电刺激的有效性。

因此，无论是在机理探索还是实际应用方面，本次工作都得到了显著提升。

最终，相关论文以《用于高时空分辨率光刺激的单片硅》（）为题发在 Nature[1]。

黎鹏举是第一作者；芝加哥大学化学系教授担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature）

对于自己的学生黎鹏举，作为导师的也给予高度评价：“黎鹏举是十年难遇的杰出学生！我们实验室很幸运能有他加入。

这项工作基本上是由他独立带领大家完成的。作为他的导师，我感到非常欣慰，并且坚信他未来也定将成为一位极其出色的教授和导师。”

将成立初创公司孵化成果

据介绍，多年来课题组一直致力于光电材料在生物科技的研究。此前，他们合成了各种功能性半导体材料来研究单细胞在光电刺激下的电生理行为。

同时，他们也研究了不同尺度下的生物刺激，进行从细胞器、到单个细胞、再到组织和整个器官的调控。

在两年前的一篇论文中，他们还实现了对大鼠离体心脏的刺激以及坐骨神经的刺激来控制腿的运动功能。

而就本次成果的具体应用来讲：

其一，能带来基础研究的应用。

本次报道的光电硅材料可以作为一个高时空间分辨率的刺激手段来研究细胞、组织的生理学以及生物体的行为学。

它能够跟记录电极集成为一体，形成一个双向的刺激/记录设备。这种技术可以整合到高通量筛选平台中，用于测试药物对细胞或组织的影响，尤其是心脏和神经系统相关的药物。

光电刺激提供了一种模拟生理条件下细胞反应的方法，有助于更准确地预测药物在体内的效果。

其二，能带来生物医学的应用。

从研究中的生物实验来看，器件本身已经具备高度可转化应用的潜质。其器件是一个光控心脏起搏器的原型。

目前他们能想到能够立即投入使用的是心脏术后的重新起搏。因为通常在心脏手术过程中，心脏需要通过药物手段暂时停跳。

此前，术后恢复方式主要采用徒手持续挤压按摩或者金属电勺进行电刺激。使用光电薄膜能够以更小的侵略性使心脏重新跳动。

本次的硅薄膜器件加上基底，从重量上来说只有不到 50mg，比面巾纸还轻数十倍，几乎不会对心脏有任何负担。

另一个应用是临床上的心脏除颤。因为支持多点位刺激的能力，医生可以寻找最佳刺激点进行有效刺激，为命悬一线的患者提供更多的生存机会。

他们也希望器件能够作为植入设备进行长期的心脏调控，用来代替传统的心脏起搏器以及解决目前起搏器引线带来的问题。

而硅材料本身作为生物兼容性良好以及可生物降解材料，如果能够对器件寿命根据病人的治疗周期进行编程，将会是一个非常有前景的应用。

“作为我们长期计划的一环，我们也希望做出配套设配，比如皮下植入式或可穿戴光源，用于光电起搏器的供能。”黎鹏举表示。

当然，该器件不仅仅限于心脏的刺激，对于神经系统以及其他的可兴奋生物组织都有广泛的应用。

目前课题组也在探索其他生物目标的转化应用，他们希望能够实现临床上的光电疗法（photoelectroceuticals）。

同时，黎鹏举的导师以及合作教授 正在与芝加哥大学 Polsky Center 合作进行研究成果的转化和建立初创公司。他们希望这项技术不仅能用于科研探索而且能够应用到临床的医学研究和应用。

参考资料：

1. Li, P., Zhang, J., Hayashi, H. et al. Monolithic silicon for high spatiotemporal translational photostimulation. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07016-9

2. https://tianlab.uchicago.edu/

运营/排版：何晨龙

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