导 语
近日，《Nature Communications》报道了一种名为NeuroRing的无线、无引线、无电池的植入物，它包裹在目标外周神经周围，并展现出对动态运动神经组织的高度机械适应性。制备好的NeuroRing可以充当超声波接收器，将超声振动转换为电刺激脉冲，从而能够在需要时刺激目标周围的外周神经。该技术已在通过精确调控骶交感神经成功治疗结肠炎的案例中得到验证，并为未来生物电子药物提供了一个替代非特异性药理方法的思路。
1、研究背景
在神经组织中，动作电位是细胞间通信的关键，通过神经元的轴突传播并在突触处与其他细胞相连，影响着几乎所有器官的功能。因此，神经系统的电刺激在治疗应用中具有重要意义，尤其是在慢性疾病治疗中，具有精准调控周围神经活动的潜力。
传统治疗方法依赖于外部电源和刚性电极，但这些方法存在限制：它们可能限制自然运动，引起组织创伤和炎症，甚至可能导致治疗失败。为了弥补这一缺陷，已经有许多研究尝试去开发在机械性能上与神经组织相接近的柔性电极或高度微型化的无线刺激器。
超声波（US）接收器作为一种无线、无导线和无电池的电刺激器，它可以通过其压电元件将超声波转换为电能。然而，传统压电材料的脆性、刚性、加工工艺等因素限制了其应用。
因此，对于未来超声波接收器的研究来说，进一步的材料创新和技术改进将是十分必要的。
2、研究概述
基于功能化导电聚合物的设计，研究团队设计了功能化聚苯胺基时序黏附水凝胶贴片。它可以实现心脏的同步机械生理监测和电耦合治疗，并牢固附着在心脏表面监测心脏的机械运动和电活动。
1.NeuroRing的先进概念和结构设计
研究者利用空化效应在软质电纺PVDF（聚偏二氟乙烯）纤维基质中引入铁电体多孔结构，这可以在材料的表面和内部获得额外的电偶极子，从而增强电气性能输出。这种具有低弹性模量的命名为“NeuroRing”的植入装置可以作为超声波接收器，环绕目标周围神经，通过超声波激活产生电脉冲，以进行疾病干预和治疗。
图1:用于外周神经调控的NeuroRing的先进概念与创新材料设计
（图片来自原文）
2.体外神经调控性能检测
为了检测电荷的动态变化，研究人员将NeuroRing放置于乙醇中，并利用超声波进行刺激，相比其他材料，NeuroRing产生了更高的电压输出，并且表现出更好的稳定性。而在猪皮组织中进行离体测试，研究者发现，NeuroRing在不同深度下都能够产生有效的电压输出，最高可达250毫伏以上。进一步的实验中，他们应用超声波刺激类神经元样细胞，并观察到明显增强的Ca2+表达。这表明，NeuroRing释放的电荷能够促进细胞内Ca2+浓度的变化，从而可能通过开启电压门控Ca2+通道来促进神经刺激。综上所述，研究结果表明NeuroRing在调控体内多个深度的神经组织方面具有广阔的潜在应用前景。
图2: 体外神经调控性能验证
（图片来自原文）
3.生物相容性与机械适应性测试
通过42天的植入实验，证实了NeuroRing能紧密包裹神经并保持功能完整。与常用的袖珍电极相比，NeuroRing在动物运动功能方面表现更为优越，未导致神经损伤或炎症反应。此外，对关键器官进行的病理学检测未显示任何异常，进一步证实了其良好的生物相容性。最重要的是，通过超声刺激实验证明了NeuroRing能够有效刺激神经并调控其活动，展示了其在神经调控治疗领域的潜力。
图3：NeuroRing的生物相容性和对大鼠的行为影响
（图片来自原文）
4.实例：骶神经刺激治疗结肠炎
为了验证NeuroRing在疾病治疗中的有效性，研究者提出了采用骶神经刺激来治疗结肠炎。通过电刺激治疗能减轻结肠炎症和疼痛，减少对心血管系统和其他内脏器官的潜在副作用，这成为治疗方案的关键。通过超声脉冲触发的干预疗法和测量神经传导的脑电图，验证了NeuroRing激活了脊髓传入和迷走神经传出通路。此外，NeuroRing对交感神经和迷走神经内分泌激素的释放产生显著影响，进一步证实了其在神经调控中的作用。在结肠炎治疗方面，NeuroRing通过调控免疫细胞、抗氧化酶活性和细胞因子表达，成功逆转了DSS导致的结肠组织损伤，提高了大鼠对结肠炎的抵抗力。总体而言，这项研究支持由超声触发的NeuroRing作为神经调控治疗结肠炎的有效手段。
图4：NeuroRing骶神经调控治疗结肠炎及作用机制
（图片来自原文）
3、研究意义
这项研究发明的无线、无引线、无电池的NeuroRing是生物技术领域一项重要的创新。该技术有望通过超声脉冲触发对外周神经的靶向电刺激调控。目前，NeuroRing已经证实了能够通过精准调节骶神经，有效缓解DSS诱导的结肠炎。这一发现为NeuroRing作为一种无线、无导线和无电池的电刺激器的实际应用提供了可靠的支持。在未来的研究中，这一技术具有巨大的临床潜力，可以在靶向外周神经调控方面为精准的疾病治疗提供新的途径。
参考文献：Li T, Wei Z, Jin F, et al. Soft ferroelectret ultrasound receiver for targeted peripheral neuromodulation. Nat Commun. 2023;14(1):8386. doi:10.1038/s41467-023-44065-6
