上海交大六院钱运《自然·通讯》：新型压电水凝胶生物电子学实现神经再生

神经损伤是全球范围内致残率较高的医学难题之一，由于神经元自身再生能力有限，其修复一直面临巨大挑战。近年研究表明，胶质细胞在神经再生过程中发挥着关键作用，尤其是中枢神经系统中的星形胶质细胞和外周神经系统中的雪旺细胞，它们通过调节神经元存活、轴突再生和微环境重塑来促进修复。机械刺激在神经发育与再生中具有重要影响，然而，其背后的机械信号转导机制以及细胞内细胞器如何响应仍不明确。尽管压电材料能够将外部机械能转化为电信号，但其在神经修复中的作用机制尚不清晰，尤其是钙离子内流对线粒体等细胞器功能的影响仍有待揭示。

近日，上海交通大学医学院附属第六人民医院钱运副研究员和清华大学孙晓丹副研究员合作开发出一种机械活性压电水凝胶生物电子学系统，通过将BaTiO₃纳米颗粒嵌入I型胶原水凝胶中，构建出可注射的压电材料。在超声波驱动下，该水凝胶能够将机械刺激转化为电信号，显著上调星形胶质细胞中的PIEZO1通道和雪旺细胞中的PIEZO2通道。这一过程增强了钙离子内流，进而激活ATP合成酶亚基，促进MFN/OPA1介导的线粒体融合，最终提升ATP合成效率，形成高效的能量网络，支持胶质细胞介导的神经修复。该研究还在小鼠、大鼠、比格犬和恒河猴等多种动物模型中验证了其治疗中枢及外周神经损伤的广泛适应性与临床转化潜力。相关论文以“Mechano-bioactive hydrogel bioelectronics for mechanical-electrical-bioenergetic conversion and glia-modulating neural regeneration”为题，发表在

Nature Communications

图1. 用于机械-电-生物能量转换与胶质调节神经再生的机械活性水凝胶生物电子学 （A）BaTiO₃压电水凝胶生物电子学的设计与制备。通过溶剂热法合成BaTiO₃纳米颗粒，优化其粒径与单域结构以增强压电性能。表面羟基修饰提高亲水性，使其在胶原水凝胶中均匀分散。该系统在低强度超声波下实现机械电转换。（B）机械-电-生物能量转换支持能量需求高的神经修复。超声波驱动压电水gel向胶质细胞传递机械刺激，通过PIEZO离子通道介导钙离子内流，激活细胞内信号通路，促进线粒体融合作为生物能量枢纽，调节中枢与外周神经系统的胶质介导神经修复。（C）在多种动物模型（小鼠、大鼠、比格犬、恒河猴）中验证压电生物电子学的疗效与生物安全性，显示其广泛适应性与转化潜力。

研究团队首先通过溶剂热法合成了具有均匀粒径和四方晶相的BaTiO₃纳米颗粒，并通过X射线衍射、高分辨透射电镜和拉曼光谱等手段确认了其压电特性。压电力显微镜显示该材料在电压刺激下具有典型的蝶形回线，证实其铁电性质。随后，将BaTiO₃纳米颗粒与I型胶原水凝胶复合，构建出可注射的压电生物电子学系统。流变学测试表明该水凝胶在生理条件下具有良好的机械稳定性和可操作性，适用于体内植入。

图2. 超声波驱动压电水凝胶生物电子学的性能与表征 （A）BaTiO₃纳米颗粒的扫描电镜图像。（B）纳米颗粒粒径分布。（C）透射电镜图像。（D）单个BaTiO₃纳米颗粒的Ba、Ti、O元素分布图。（E）X射线衍射图谱及（002）与（200）峰放大图。（F）高分辨透射电镜图像。（G）快速傅里叶变换图。（H）拉曼光谱。（I）压电力显微镜测量的振幅-电压曲线。（J）相位-电压曲线。（K-L）胶原水凝胶与BaTiO₃@COL-1水凝胶的共聚焦反射显微镜图像。（M-O）水凝胶的流变学特性分析。

在雪旺细胞实验中，超声波驱动的压电水凝胶显著上调了PIEZO2通道的表达，并引发钙离子内流，进一步激活钙调蛋白和cAMP信号通路。同时，该处理还促进了线粒体融合相关蛋白如OPA1、MFN1和MFN2的表达，增强了ATP的合成能力。通过PIEZO2基因敲除和L型电压门控钙通道抑制剂维拉帕米的对比实验，研究确认PIEZO2是雪旺细胞机械信号转导的主要通道。此外，雪旺细胞条件培养基还显示出促进血管生成的能力，进一步支持神经再生微环境的构建。

图3. 超声波驱动压电水凝胶通过PIEZO2介导大鼠雪旺细胞的机械信号转导 （A）PIEZO1/2 mRNA表达。（B）PIEZO2蛋白免疫印迹。（C）PIEZO2 mRNA表达随时间变化。（D）电压门控钙通道mRNA表达。（E）机械信号转导示意图。（F）钙离子荧光染色。（G）平均荧光强度统计。（H）钙调蛋白、cAMP、JNK蛋白表达。（I）神经营养因子mRNA表达时序。（J）线粒体外膜蛋白TOM20免疫荧光。（K）TOM20荧光强度统计。（L）ATP浓度检测。（M）葡萄糖转运蛋白、谷氨酰胺合成酶、ATP合成酶β亚基蛋白表达。（N）线粒体动力学蛋白免疫印迹。（O-P）RNA测序差异表达基因与火山图。（Q）KEGG通路富集分析。

在星形胶质细胞中，压电水凝胶则主要激活PIEZO1通道，引发类似的钙信号和线粒体功能增强。该处理促进了星形胶质细胞向修复表型转化，上调了神经支持因子如GDNF、NGF以及代谢相关酶如谷氨酰胺合成酶和GAD67的表达。转录组分析进一步揭示了与细胞结构、信号转导和神经调节相关的基因表达变化，KEGG富集分析表明钙信号和氨基酸代谢通路被显著激活。

图4. 超声波驱动压电水凝胶在大鼠星形胶质细胞中的机械信号转导 （A-B）PIEZO1/2 mRNA表达。（C）电压门控钙通道PCR阵列热图。（D）反应性与瘢痕星形胶质细胞标志基因表达。（E）反应性星形胶质细胞基因特征热图。（F）TOM20免疫荧光。（G）TOM20与DAPI共定位分析。（H）TOM20荧光强度统计。（I）MitoLite与钙离子荧光染色。（J）荧光强度统计。（K）谷氨酰胺合成酶、ATP合成酶β、GAD67蛋白表达。（L）线粒体动力学蛋白免疫印迹。（M）HUVEC管形成实验。（N）管形成统计分析。（O-P）鸡胚尿囊膜实验图像与血管数量统计。（Q）差异表达基因火山图。（R）KEGG通路富集分析。

在大鼠坐骨神经挤压伤模型中，植入压电水凝胶并施加超声波刺激后，损伤部位PIEZO2表达显著增加，神经纤维结构更为清晰有序，胶原沉积更为致密。免疫荧光显示雪旺细胞活性增强，血管生成加速。电生理测试表明神经传导速度和复合肌肉动作电位明显改善，透射电镜和甲苯胺蓝染色显示髓鞘厚度和轴突直径显著恢复。行为学测试进一步证实了感觉和运动功能的恢复，且材料表现出良好的生物相容性。

图5. 超声波驱动压电水凝胶促进SD大鼠外周神经损伤后的神经再生与功能恢复 （A）大鼠坐骨神经挤压伤模型示意图。（B）PIEZO2免疫组化染色。（C）PIEZO2阳性染色定量。（D）损伤神经纵向H&E染色。（E）天狼星红偏振光染色。（F）GAP43、S100β、βIII-tubulin免疫荧光。（G）荧光强度统计。（H）神经传导速度与复合肌肉动作电位统计。（I）肌电图曲线。（J）髓鞘透射电镜图像。（K）甲苯胺蓝染色。（L-M）轴突直径与髓鞘厚度统计。（N）腓肠肌层粘连蛋白染色。（O）热板实验反应潜伏期。

在恒河猴坐骨神经损伤模型中，即使未施加超声波，由于动物自身肌肉收缩产生的机械刺激，压电水凝胶仍能激活PIEZO2通道，促进神经纤维排列和血管生成。靶器官肌肉和皮肤的形态学分析显示再神经化程度提高，电信号记录表明神经功能恢复显著。

图6. 压电水凝胶在恒河猴外周神经损伤模型中的疗效与生物安全性 （A）手术与植入示意图。（B）PIEZO2免疫组化染色。（C）阳性染色定量。（D）神经纵向H&E染色。（E）CD34、GAP43、βIII-tubulin免疫荧光。（F）CD31免疫荧光。（G）去神经支配影响示意图。（H）腓肠肌H&E染色。（I）肌纤维周长与面积统计。（J）皮肤Masson染色。（K）电生理记录电极设置。（L）电刺激记录电位。（M）髓鞘透射电镜图像。（N）甲苯胺蓝染色。（O）轴突直径与髓鞘厚度统计。

针对中枢神经系统，研究团队在大鼠和比格犬脊髓损伤模型中验证了该系统的疗效。在大鼠模型中，压电水凝胶植入后，PIEZO1通道被激活，背根神经节细胞的静息电位和钙电流密度显著改善。星形胶质细胞瘢痕形成减少，神经元存活和轴突再生增强，行为学测试显示运动功能和情绪状态明显恢复。在比格犬模型中，超声驱动的压电水凝胶显著改善了后肢运动功能，磁共振成像显示脊髓连续性恢复，组织学分析证实神经元存活率提高，且系统在主要器官中未引起毒性反应。

图7. 超声波驱动压电水凝胶促进SD大鼠脊髓损伤后的神经再生与功能恢复 （A）脊髓缺损模型与植入示意图。（B-C）PIEZO1免疫组化染色与定量。（D）背根神经节全细胞膜片钳示意图。（E）静息膜电位分析。（F）钙电流密度与代表性曲线。（G）GFAP、S100β、Sox9、Nestin免疫荧光。（H）荧光强度统计。（I）NeuN、GAP43、CD34免疫荧光。（J）荧光强度统计。（K）CS-56与谷氨酰胺合成酶免疫荧光。（L）荧光强度统计。（M）开场实验轨迹图与分析。

图8. 超声波驱动压电水凝胶在比格犬脊髓损伤模型中的疗效与生物安全性 （A）脊髓半切模型与植入示意图。（B）后肢功能恢复图像。（C）PIEZO1免疫组化染色。（D）阳性染色定量。（E）主要器官H&E染色。（F）腓肠肌H&E染色。（G）肌纤维周长与面积统计。（H）Olby评分统计。（I）体重变化。（J）脊髓段磁共振成像。（K）NeuN免疫荧光染色。

综上所述，该研究开发的机械活性压电水凝胶生物电子学系统成功实现了从机械能到电能再到生物能量的多级转换，通过激活胶质细胞中的PIEZO通道—钙信号—CREB轴心，促进线粒体融合与能量代谢重组，从而支持神经再生。在多种动物模型中的验证展示了其广泛的适应性和良好的生物安全性，为中枢及外周神经损伤的临床治疗提供了新策略。未来研究将进一步明确对PIEZO激活最敏感的胶质细胞亚群，并开发实时监测技术以揭示机械信号转导的动态过程。