鐵基磁性納米材料在神經(jīng)調(diào)控應(yīng)用中的研究進(jìn)展

柳東芳，顧 寧

(1.東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院 江蘇省分子影像與功能影像實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210009) (2.東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇省生物材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210009)

1 前 言

神經(jīng)調(diào)控技術(shù)是通過(guò)物理或化學(xué)手段調(diào)節(jié)神經(jīng)元活性，影響特定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能，從而改善患者臨床癥狀的生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)。作為一種可逆的物理調(diào)控過(guò)程，神經(jīng)調(diào)控技術(shù)能夠引起局部神經(jīng)功能改變、神經(jīng)可塑性變化和神經(jīng)環(huán)路重塑，是神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)研究和神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療的重要手段。

神經(jīng)調(diào)控技術(shù)發(fā)展迅速，包括腦深部電極植入術(shù)(deep brain stimulation, DBS)、迷走神經(jīng)刺激術(shù)(vagus nerve stimulation, VNS)、重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation, rTMS)、光遺傳學(xué)、超聲腦刺激術(shù)等，被廣泛應(yīng)用于臨床治療或基礎(chǔ)研究中。不同的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)各有其特點(diǎn)和局限。例如，DBS是目前臨床上最常用的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，能夠有效治療帕金森病、特發(fā)性震顫和癲癇等疾病[1-3]，但這種方法具有侵入性，且缺乏細(xì)胞類(lèi)型特異性，不適合對(duì)特定神經(jīng)元進(jìn)行刺激。光遺傳學(xué)可以高時(shí)空精度地控制神經(jīng)元，但需要引入外源性的光敏蛋白。此外，電場(chǎng)和光會(huì)被組織強(qiáng)烈衰減，使用電場(chǎng)或光學(xué)方法分析大腦深部核團(tuán)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，需要向大腦中植入電極或光纖，這為研究在自由活動(dòng)狀態(tài)下的深部腦區(qū)神經(jīng)回路功能和疾病治療帶來(lái)了不便[4]。rTMS是已經(jīng)應(yīng)用于臨床的一種無(wú)創(chuàng)的磁刺激神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，但隨著刺激深度的增加，磁場(chǎng)在腦中的刺激范圍也會(huì)增大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)深部腦區(qū)的精確調(diào)控[5]。納米技術(shù)的發(fā)展為解決神經(jīng)調(diào)控研究中的問(wèn)題提供了一個(gè)重要途徑。由于小尺寸效應(yīng)，納米材料具有獨(dú)特的物理性質(zhì)，定植于目標(biāo)腦區(qū)后，能夠?qū)⑼獠侩妶?chǎng)、光、磁場(chǎng)或超聲波等能量轉(zhuǎn)化為目標(biāo)區(qū)域的局部信號(hào)，如電、光、熱、機(jī)械力等，實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦的遠(yuǎn)程無(wú)線精確調(diào)控[6-8]。例如，在光遺傳學(xué)中，由于可見(jiàn)光穿透深度有限，需向大腦中植入光纖來(lái)激活神經(jīng)元光敏蛋白。植入腦中的上轉(zhuǎn)換納米材料，能夠?qū)⒕哂休^高穿透深度的近紅外入射光轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，實(shí)現(xiàn)無(wú)需植入光纖的光遺傳學(xué)刺激[9]。

磁性納米材料具有獨(dú)特的磁學(xué)性質(zhì)，將其植入目標(biāo)腦區(qū)，結(jié)合低頻磁場(chǎng)高組織穿透性的特點(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)任意深度神經(jīng)元的無(wú)線精準(zhǔn)調(diào)控。例如：植入腦中的磁性納米顆粒(magnetic nanoparticles, MNPs)在低頻磁場(chǎng)作用下，通過(guò)磁熱遺傳學(xué)調(diào)控神經(jīng)元，可控制小鼠的神經(jīng)活動(dòng)、基因表達(dá)和激素釋放等[10,11]。本文將對(duì)MNPs介導(dǎo)的神經(jīng)調(diào)節(jié)研究的最新進(jìn)展、納米顆粒的設(shè)計(jì)和工作原理等進(jìn)行總結(jié)；討論磁性納米材料在腦中的植入穩(wěn)定性、生物安全性以及納米材料與神經(jīng)元之間的相互作用。

2 磁性納米材料介導(dǎo)的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)

磁性納米材料能夠介導(dǎo)外部磁場(chǎng)產(chǎn)生高度局限于納米顆粒表面局部區(qū)域的熱、電、機(jī)械力等刺激信號(hào)[12-14]，激活神經(jīng)元上內(nèi)源性表達(dá)的或轉(zhuǎn)基因表達(dá)的敏感離子通道或特異性受體。其工作機(jī)制主要有5種，包括磁遺傳學(xué)、磁熱、磁機(jī)械、磁電和磁化學(xué)遺傳學(xué)。

2.1 基于磁遺傳學(xué)的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)對(duì)神經(jīng)元的遠(yuǎn)程調(diào)控，科學(xué)家設(shè)計(jì)出磁性合成蛋白，如將鐵硫簇組裝蛋白1、鐵蛋白等作為磁受體，通過(guò)基因技術(shù)融合到神經(jīng)元膜或離子通道上，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)對(duì)神經(jīng)元的非侵入性激活，這種技術(shù)被稱為“磁遺傳學(xué)”[15,16]。Wheeler等將大鼠的瞬時(shí)受體電位陽(yáng)離子通道亞家族V成員4(TRPV4)蛋白與鐵蛋白融合，稱為“Magneto 2.0”，通過(guò)磁遺傳學(xué)將Magneto 2.0表達(dá)在紋狀體多巴胺受體神經(jīng)元上，在5 mT的弱磁場(chǎng)刺激下，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)斑馬魚(yú)和小鼠的行為控制[16]。Stainly 等利用融合了鐵蛋白納米顆粒的熱敏性辣椒素受體陽(yáng)離子通道蛋白(TRPV1)，在磁場(chǎng)作用下對(duì)胰島素基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控。利用射頻或靜磁場(chǎng)刺激鐵蛋白TRPV1和鈣離子依賴性胰島素共表達(dá)轉(zhuǎn)基因間充質(zhì)干細(xì)胞，能夠激活TRPV1引發(fā)鈣離子內(nèi)流，刺激胰島素基因表達(dá)和胰島素原釋放。該研究表明，磁遺傳學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)基因表達(dá)的遠(yuǎn)程無(wú)創(chuàng)調(diào)控[17]。

磁遺傳學(xué)具有遠(yuǎn)程無(wú)創(chuàng)精確調(diào)控神經(jīng)元的潛力，為研究不同類(lèi)別神經(jīng)元在大腦發(fā)育和疾病中的生理功能提供了有力工具。因此，磁遺傳學(xué)的研究一經(jīng)報(bào)道就受到了廣泛的關(guān)注，也引起了爭(zhēng)議和質(zhì)疑。Meister認(rèn)為這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果違反已知的生物物理機(jī)制。他通過(guò)理論計(jì)算證明，在上述報(bào)道中所使用的鐵蛋白由于含有的鐵原子數(shù)量少，僅具有弱順磁性，在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的力、扭矩或熱量遠(yuǎn)小于激活機(jī)械敏感性或熱敏感性離子通道的閾值，無(wú)法對(duì)膜通道產(chǎn)生預(yù)期的作用[18]。一系列獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)研究也表明，表達(dá)融合了鐵蛋白的敏感離子通道(TRPV1、TRPV4等)的神經(jīng)元，在已報(bào)道的磁場(chǎng)條件下不能被有效調(diào)控[19-22]。最近有研究者嘗試從生化或物理等不同的角度解釋磁遺傳學(xué)刺激機(jī)制，提出鐵蛋白標(biāo)記的離子通道激活可能與射頻波通過(guò)鐵誘導(dǎo)的脂質(zhì)氧化[23]，或鐵蛋白納米顆粒在磁場(chǎng)磁化過(guò)程中磁熵變化產(chǎn)生的熱量相關(guān)[24]。

2.2 基于磁熱遺傳學(xué)的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)

磁性材料在交變磁場(chǎng)(alternating magnetic field, AMF)下能夠產(chǎn)生熱量，這種物理現(xiàn)象被稱為磁熱效應(yīng)。磁性納米材料在AMF作用下產(chǎn)生的熱量，可激活表達(dá)在神經(jīng)元上的熱敏離子通道(如TRPV1)，引起神經(jīng)元活性改變。TRPV1是瞬時(shí)受體電位陽(yáng)離子通道的一個(gè)亞家族，在外界條件如熱、辣椒素、細(xì)胞外低pH值等刺激下，允許鈣離子選擇性地進(jìn)入細(xì)胞，導(dǎo)致神經(jīng)元膜去極化[25]。內(nèi)源性TRPV1在嚙齒類(lèi)動(dòng)物大腦中低表達(dá)。在人腦內(nèi)側(cè)額葉回和扣帶回中，TRPV1主要表達(dá)在星形膠質(zhì)細(xì)胞上，而在神經(jīng)元中低表達(dá)[26]。因此，磁熱調(diào)控神經(jīng)元的研究，往往需要引入外源性的熱敏離子通道，又被稱為“磁熱遺傳學(xué)”。

TRPV1離子通道的激活溫度為42 ℃[27]，接近人體正常體溫，在磁熱升溫激活TRPV1離子通道的同時(shí)，還要防止過(guò)量熱量對(duì)腦組織的損傷。鑒于此，在磁熱遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控的研究中，多采用具有高產(chǎn)熱效率的MNPs對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行短時(shí)間的磁熱刺激[28, 29]。例如，Chen等合成了粒徑為22 nm的氧化鐵納米顆粒，這種納米顆粒具有高比損耗功率，在AMF下作用10 s，即可使水溶液溫度快速上升到43 ℃，在隨后50 s的靜止期，又冷卻到37 ℃。這種短時(shí)間、間歇性的AMF能夠有效激活TRPV1離子通道，引起神經(jīng)元膜去極化，并避免對(duì)腦組織的熱損傷。植入小鼠腹側(cè)被蓋區(qū)(ventral tegmental area，VTA)的氧化鐵納米顆粒，在外加AMF作用下可選擇性地遠(yuǎn)程激活VTA腦區(qū)神經(jīng)元[29]。Huang等將直徑為6 nm的錳摻雜氧化鐵納米顆粒靶向到表達(dá)了外源性TRPV1的細(xì)胞膜上，在射頻磁場(chǎng)下作用5 s，即可引起細(xì)胞膜局部溫度升高到43 ℃，激活TRPV1離子通道，引發(fā)神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢?。該研究首次?shí)現(xiàn)了對(duì)活細(xì)胞TRPV1離子通道的遠(yuǎn)程磁激活，并觸發(fā)秀麗隱桿線蟲(chóng)的熱回避行為。結(jié)合在細(xì)胞膜上的MNPs產(chǎn)生的熱量高度局限于膜區(qū)域，與游離MNPs相比，其升溫速度和停止加熱后恢復(fù)到環(huán)境溫度的速度也更快，有助于更好地避免對(duì)腦組織的傷害[30]。隨后，該研究組將CoFe2O4-MnFe2O4核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒靶向到小鼠不同腦區(qū)的神經(jīng)元膜表面(圖1)，通過(guò)AMF 進(jìn)行間隔1 min的循環(huán)刺激，可調(diào)控相應(yīng)腦區(qū)神經(jīng)元，喚起自由活動(dòng)小鼠的運(yùn)動(dòng)行為改變，選擇性地激活大腦深部神經(jīng)回路[10]。

圖1 膜結(jié)合的磁性納米顆粒(MNPs)磁熱激活TPRV1離子通道[10]：(a)中和親和素修飾的MNPs通過(guò)生物素化靶向神經(jīng)元膜蛋白的抗體連接到神經(jīng)元膜上；(b)施加交變磁場(chǎng)(AMF)加熱膜結(jié)合MNPs，激活TRPV1通道，引發(fā)鈣離子內(nèi)流；(c)用于體外研究的結(jié)合了AMF的熒光顯微鏡裝置;(d)MNPs的TEM照片，圖中標(biāo)尺為100 nm；(e)GCaMP6f+神經(jīng)元(綠色)、MNPs標(biāo)記神經(jīng)元(紅色)、GCaMP6f和MNPs信號(hào)疊加的熒光顯微鏡照片及光學(xué)顯微鏡照片(從左至右)，圖中標(biāo)尺為10 mm；(f)AMF作用下DyLight 550熒光強(qiáng)度、MNPs附近的溫度(灰線)和GCaMP6f熒光信號(hào)的變化(綠線)Fig.1 The TPRV1 ion channel is activated by heating membrane-bound magnetic nanoparticles (MNPs) using an alternating magnetic field[10]: (a) MNPs are functionalized with NeutrAvidin, and attached to the neuronal membrane via biotinylated antibodies targeting membrane proteins; (b) alternating magnetic field (AMF) heats the membrane-bound magnetic nanoparticles, and activates the TRPV1 channels, resulting calcium influx; (c) the experimental setup combines AMF and fluorescence microscopy for in vitro studies; (d) TEM images of the magnetic nanoparticles, scale bar is 100 nm; (e) from left to right: fluorescence micrographs of GCaMP6f+ neurons (green), MNPs labeled neurons (red), overlay of the GCaMP6f+ and MNPs signals, transmitted light image of the same neurons, scale bar is 10 mm; (f) the change of DyLight 550 fluorescence intensity (red line), temperature near the MNPs, and the GCaMP6f fluorescence signal recorded in the neuron decorated with nanoparticles during AMF application

最近，氧化鐵納米顆粒還被用于磁熱遺傳學(xué)治療帕金森病的研究中[31]。注射到小鼠丘腦底核區(qū)的氧化鐵納米顆粒，在AMF作用下能夠刺激表達(dá)了TRPV1的神經(jīng)元引起神經(jīng)興奮，遠(yuǎn)程誘導(dǎo)小鼠運(yùn)動(dòng)行為的改變，從而顯著改善輕度和重度帕金森病小鼠模型的運(yùn)動(dòng)缺陷。

外周神經(jīng)和胃腸道、胰腺、心臟等器官高表達(dá)內(nèi)源性TRPV1[32]，利用磁性納米材料對(duì)這些神經(jīng)或器官進(jìn)行磁熱刺激，可實(shí)現(xiàn)不依賴于轉(zhuǎn)基因技術(shù)的神經(jīng)和器官功能調(diào)控。如在最近的研究中，Rosenfeld等使用MNPs，在AMF作用下激活小鼠腎上腺皮質(zhì)和髓質(zhì)細(xì)胞的內(nèi)源性TPPV1離子通道，可控制腎上腺素和皮質(zhì)酮的快速釋放[11]。

2.3 基于磁電效應(yīng)的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由眾多神經(jīng)元組成的復(fù)雜生物電回路，神經(jīng)元之間通過(guò)電場(chǎng)能量直接或間接地傳遞信息。因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)外界電場(chǎng)非常敏感?；谖㈦姌O的DBS是目前臨床應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)[33]。然而，由于電極具有侵入性，且需要定期更換電池，為患者帶來(lái)隱患和不便，因此發(fā)展非侵入性的無(wú)創(chuàng)DBS技術(shù)具有重要的意義[34, 35]。磁電(magnetoelectric, ME)納米顆粒能夠?qū)⑦h(yuǎn)程的磁場(chǎng)原位轉(zhuǎn)化為目標(biāo)腦區(qū)局部電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)回路的無(wú)線精確調(diào)控[36-39]。Yue等對(duì)利用ME納米顆粒刺激大腦深處的神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算研究，并優(yōu)化了將帕金森患者大腦電場(chǎng)脈沖序列調(diào)節(jié)到正常人水平的刺激條件，從理論上證明了ME納米顆粒調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)的可行性[38]。隨后，他們利用ME納米顆粒，對(duì)小鼠大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)控。ME納米顆粒由2種材料復(fù)合而成：磁致伸縮的CoFe2O4納米顆粒和壓電納米粒子BaTiO3。在外部AMF作用下，CoFe2O4發(fā)生應(yīng)變，施加在BaTiO3上產(chǎn)生電荷分離(圖2)。將該納米顆粒通過(guò)尾靜脈注射到小鼠體內(nèi)，在腦部外加磁場(chǎng)作用下，ME納米顆粒通過(guò)血腦屏障進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)內(nèi)，影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)局部電信號(hào)，引起鈣離子內(nèi)流，激活神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢籟36]。通過(guò)對(duì)小鼠尾靜脈注射ME納米顆粒能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)創(chuàng)的神經(jīng)調(diào)控，然而，僅有約10%的納米顆粒能夠進(jìn)入目標(biāo)腦實(shí)質(zhì)中，且納米顆粒分布范圍不能精確定位，在磁場(chǎng)作用下，可引起整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激活。此外，通過(guò)尾靜脈注射的ME納米顆粒進(jìn)入腦內(nèi)后有效工作時(shí)間僅為24 h，無(wú)法滿足神經(jīng)調(diào)控需要反復(fù)操作的需求。Kozielski等利用立體定位儀將ME納米顆粒定向注射到小鼠丘腦底區(qū)域，在外加直流和交流磁場(chǎng)共同作用下，能夠激活小鼠丘腦底神經(jīng)元，并調(diào)節(jié)皮質(zhì)-基底神經(jīng)節(jié)-丘腦皮質(zhì)神經(jīng)回路，提高丘腦運(yùn)動(dòng)皮層和室旁核區(qū)域的神經(jīng)元活性,同時(shí)引起實(shí)驗(yàn)小鼠丘腦皮層回路刺激相關(guān)的運(yùn)動(dòng)行為改變[39]。

圖2 磁電(ME)納米顆粒用于遠(yuǎn)程調(diào)控小鼠神經(jīng)元[39]：(a)磁致伸縮和壓電復(fù)合材料在磁場(chǎng)下產(chǎn)生電荷分離示意圖，(b)ME納米顆粒在直流磁場(chǎng)疊加交流磁場(chǎng)下最佳磁電輸出原理示意圖，(c)體內(nèi)ME納米顆粒給藥方法及磁場(chǎng)刺激示意圖Fig.2 Magnetoelectric (ME) nanoparticles mediate remote regulation of mouse neurons[39]: (a) schematic demonstrating two-phase magnetoelectricity in ME nanoparticles made from magnetostrictive and piezoelectric materials that are strain-coupled, (b) schematic demonstrating the rationale for using a large direct current (DC) magnetic field overlaid with an alternating current (AC) field to generate optimal magnetoelectric output, (c) diagram for method of in vivo ME nanoparticles administration and wireless stimulation using an AC and DC magnetic field

超順磁性氧化鐵納米顆粒具有良好的生物相容性，是研究最為廣泛的一類(lèi)磁性納米材料。目前，已有多種超順磁性氧化鐵納米顆粒獲FDA批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床。作者團(tuán)隊(duì)利用已獲批臨床試驗(yàn)許可的超順磁性氧化鐵納米顆粒(瑞存?)，結(jié)合輕度磁脈沖序列，建立了聯(lián)合磁性刺激系統(tǒng)[13]。將氧化鐵納米顆粒定位注射到抑郁癥模型小鼠的左前額葉皮層，在低頻脈沖磁場(chǎng)的刺激下，可快速改善抑郁癥小鼠的抑郁樣癥狀。氧化鐵納米顆粒在磁場(chǎng)下的電磁感應(yīng)引起磁感應(yīng)電壓的增強(qiáng)(圖3)[11]，并且這些效應(yīng)高度局限于納米顆粒周?chē)鷧^(qū)域，對(duì)神經(jīng)回路調(diào)節(jié)具有高選擇性，具有潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值。

圖3 水凝膠模型中氧化鐵納米顆粒的電磁感應(yīng)效應(yīng)[11]：(a)γ-Fe2O3納米顆粒TEM照片和γ-Fe2O3水溶液照片(插入小圖)，(b)磁電感應(yīng)測(cè)量示意圖，(c)不同磁場(chǎng)頻率下的感應(yīng)電壓，(d)加入γ-Fe2O3引起感應(yīng)電壓增強(qiáng)Fig.3 Magneto-electric induction effects of a hydrogel phantom injected iron oxide nanoparticles[11]: (a) TEM image of the γ-Fe2O3 nanoparticles and external view of the γ-Fe2O3 aqueous solution (inset), (b) schematic of measurement of magneto-electric induction, (c) magneto-electric induction under different field frequencies, (d) the presence of the γ-Fe2O3 nanoparticles enhances the induced voltages

2.4 基于磁致機(jī)械力的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)

在運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的作用下，磁性納米顆粒能夠產(chǎn)生機(jī)械力，激活表達(dá)在神經(jīng)元上的機(jī)械敏感離子通道，如TRPV4、壓電型機(jī)械敏感離子通道元件(PIEZO)和N型機(jī)械敏感性鈣離子通道等，實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元活性的調(diào)控[40, 41]。

Tay等將神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)生長(zhǎng)在具有高磁場(chǎng)梯度的微加工基底上，將淀粉包覆的氧化鐵納米顆粒附著在神經(jīng)元膜上，在外加永磁鐵的作用下，膜結(jié)合的氧化鐵納米顆?？梢岳熘|(zhì)雙層，誘導(dǎo)內(nèi)源性機(jī)械敏感性N型鈣離子通道的開(kāi)放，活化神經(jīng)元。通過(guò)長(zhǎng)期磁刺激，可調(diào)節(jié)興奮性和抑制性離子通道/受體的比率，促使脆性X綜合征(FXS)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型過(guò)表達(dá)的N型鈣離子通道數(shù)量恢復(fù)到正常神經(jīng)元水平，并增加抑制性GABAA離子受體的表達(dá)[41,42]。他們還利用透明質(zhì)酸磁性水凝膠對(duì)高表達(dá)TRPV4和PIEZO2離子通道的背根神經(jīng)節(jié)(DRG)神經(jīng)元進(jìn)行磁刺激，發(fā)現(xiàn)短暫磁機(jī)械刺激通過(guò)激活TRPV4和PIEZO2離子通道誘導(dǎo)DRG神經(jīng)元活化；長(zhǎng)期磁刺激會(huì)降低DRG神經(jīng)元PIEZO2離子通道的表達(dá)，有望用于調(diào)節(jié)慢性疼痛中過(guò)表達(dá)的PIEZO2離子通道[40]。在上述研究中，神經(jīng)元需要生長(zhǎng)在高磁場(chǎng)梯度的基底或水凝膠中，這限制了其在活體中的應(yīng)用。

在激活機(jī)械敏感離子通道的研究中，磁性顆粒需具有較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此往往采用鐵磁性的磁性顆粒。在提高磁性納米材料磁感應(yīng)強(qiáng)度的同時(shí)，還需要解決其膠體穩(wěn)定性的問(wèn)題。Gregurec等制備了具有磁渦旋基態(tài)的Fe3O4納米盤(pán)[43]，在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下，納米盤(pán)的渦旋結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為接近零的凈磁矩，因此磁性納米盤(pán)具有良好的膠體穩(wěn)定性；在磁場(chǎng)作用下，納米盤(pán)磁矩從渦漩轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎯?nèi)磁化狀態(tài)，產(chǎn)生較大的磁扭矩，在緩慢變化的弱磁場(chǎng)作用下就可以在細(xì)胞水平上誘導(dǎo)DRG神經(jīng)元TRPV4離子通道開(kāi)放。

Lee等制備了一套模擬自然界中磁感應(yīng)的磁扭矩裝置，在外加磁場(chǎng)下對(duì)小鼠神經(jīng)元進(jìn)行遠(yuǎn)程刺激，調(diào)控自由活動(dòng)小鼠的行為[44]。他們將粒徑為25 nm的鋅摻雜氧化鐵八面體納米顆粒連接到粒徑為500 nm的聚苯乙烯基底上，組裝合成了粒徑約500 nm的磁性納米球。組裝后的納米球飽和磁化強(qiáng)度比單個(gè)的氧化鐵納米顆粒大～470倍，能夠?yàn)闄C(jī)械敏感離子通道激活提供足夠的扭力；磁矯頑力保持在30 Oe的弱鐵磁性，使其在溶液中保持良好的膠體穩(wěn)定性。通過(guò)表面修飾的Myc抗體，磁性納米球能夠特異性靶向神經(jīng)元Myc標(biāo)記的外源性PIEZO1通道蛋白。在圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生皮牛頓數(shù)量級(jí)的扭力，激活運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元，增強(qiáng)小鼠的運(yùn)動(dòng)能力。

2.5 基于磁化學(xué)遺傳學(xué)的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)

磁性納米材料在AMF下的磁熱效應(yīng)除了能夠激活神經(jīng)元熱敏離子通道外，還可通過(guò)與熱敏化合物結(jié)合，遠(yuǎn)程觸發(fā)神經(jīng)調(diào)節(jié)劑的局部釋放，實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元高時(shí)空精度的化學(xué)遺傳調(diào)控。

Rao等將神經(jīng)調(diào)節(jié)劑和Fe3O4納米顆粒共同負(fù)載到熱敏脂質(zhì)體中，通過(guò)低頻AMF觸發(fā)神經(jīng)調(diào)節(jié)劑的釋放，遠(yuǎn)程對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行化學(xué)調(diào)控。利用特定藥物激活特定受體(DREADDs)技術(shù)，將負(fù)載氯氮平N-氧化物(CNO)的磁性熱敏脂質(zhì)體注射入小鼠VTA腦區(qū)，通過(guò)低頻AMF遠(yuǎn)程刺激熱敏脂質(zhì)體釋放CNO，激活表達(dá)hM3D(Gq)受體的轉(zhuǎn)基因神經(jīng)元，增強(qiáng)小鼠活動(dòng)性。隨后，他們又將多巴胺受體1(DRD1)激動(dòng)劑SKF-38393負(fù)載到熱敏脂質(zhì)體中，用于低頻AMF刺激小鼠伏隔核中表達(dá)DRD1的神經(jīng)元，控制小鼠的社交行為[45]。Park等將Fe3O4納米顆粒包覆到聚酸酐或聚酯支架中，利用磁性納米顆粒在AMF下的磁熱效應(yīng)，加速聚酸酐或聚酯化合物水解生成羧酸基團(tuán)，釋放的質(zhì)子能夠顯著降低細(xì)胞外pH值，并激活海馬神經(jīng)元的酸敏感離子通道(ASICs)，引起鈣離子內(nèi)流[46]。

綜上所述，目前已有多種磁性納米材料應(yīng)用于神經(jīng)調(diào)控的研究(表1)，并顯示了良好的調(diào)控效果。在下文中，將對(duì)納米材料在腦中的植入穩(wěn)定性、生物安全性及與神經(jīng)元膜的相互作用這些與磁性納米材料的神經(jīng)調(diào)控應(yīng)用密切相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行討論。

表1 應(yīng)用于神經(jīng)調(diào)控的磁性納米材料Table 1 Magnetic nanomaterials for neuromodulation

3 腦中植入納米顆粒的穩(wěn)定性

慢性神經(jīng)疾病的神經(jīng)調(diào)控治療是一個(gè)長(zhǎng)期重復(fù)的過(guò)程，而納米材料需要通過(guò)立體定位注射等微創(chuàng)手段植入大腦，不宜經(jīng)常反復(fù)操作。因此，納米植入物在注射部位的穩(wěn)定滯留時(shí)間對(duì)其臨床轉(zhuǎn)化進(jìn)程具有重要的影響。然而，僅有少量研究工作關(guān)注到納米植入材料在腦中植入?yún)^(qū)的穩(wěn)定滯留時(shí)間。日本REKIN腦科學(xué)研究所Chen等通過(guò)將上轉(zhuǎn)換納米顆粒植入小鼠大腦，對(duì)不同特定腦區(qū)進(jìn)行經(jīng)顱近紅外光遺傳學(xué)深部腦刺激，結(jié)果表明了該技術(shù)在抑郁癥、癲癇以及阿茲海默癥等疾病調(diào)控治療中的應(yīng)用前景。在該工作中，植入的上轉(zhuǎn)換納米顆粒在植入?yún)^(qū)穩(wěn)定存在1個(gè)月時(shí)間，神經(jīng)調(diào)控功能可維持2周[47]。聚乙二醇(PEG)修飾的氧化鐵納米顆粒在植入小鼠的VTA腦區(qū)后，可在1個(gè)月內(nèi)對(duì)大腦進(jìn)行磁熱刺激。Muldoon等利用磁共振成像研究了3種FDA批準(zhǔn)的氧化鐵納米顆粒ferumoxide、ferumoxytol和ferumoxtran-10在腦中的分布和磁共振信號(hào)隨時(shí)間的變化。結(jié)果顯示，注射到小鼠腦內(nèi)的氧化鐵納米顆粒，磁共振信號(hào)強(qiáng)度和范圍隨著時(shí)間的延長(zhǎng)顯著下降，半衰期為14～30 d左右[48]。Kozielski等報(bào)道的CoFe2O4@BATiO3NPs，在小鼠腦中能夠保持7周[39]。綜上所述，在已知報(bào)道中，植入腦中的納米材料穩(wěn)定滯留時(shí)間不超過(guò)2個(gè)月，無(wú)法滿足慢性神經(jīng)疾病長(zhǎng)期重復(fù)神經(jīng)調(diào)控的需求。

納米材料的植入穩(wěn)定性與其在腦中的擴(kuò)散和免疫清除密切相關(guān)。研究表明，大腦細(xì)胞外基質(zhì)孔隙大約在38～64 nm[49]。納米顆粒在大腦細(xì)胞外基質(zhì)中的擴(kuò)散速度和粒徑相關(guān)，顆粒粒徑越小，在細(xì)胞外基質(zhì)中的擴(kuò)散速度越快。納米顆粒在腦中的清除與小膠質(zhì)細(xì)胞的免疫作用有關(guān)。據(jù)報(bào)道，高密度脂蛋白納米球和聚乳酸-聚乙二醇納米球在腦中被小膠質(zhì)細(xì)胞攝取，然后經(jīng)血管旁膠狀通道到達(dá)頸窩淋巴結(jié)和外周血中，最終通過(guò)腎臟和肝臟進(jìn)行代謝[50]。葡聚糖包覆的氧化鐵納米顆粒腦內(nèi)注射20～24 h后，通過(guò)頸深淋巴結(jié)排出大腦[51]。納米顆粒表面化學(xué)修飾會(huì)影響其在腦內(nèi)的擴(kuò)散和清除。通過(guò)具有抗調(diào)理素吸附性質(zhì)的PEG修飾納米顆粒，可減少磁性氧化鐵納米顆粒被小膠質(zhì)細(xì)胞攝取和清除[52]，然而，PEG修飾會(huì)促進(jìn)聚合物納米球在人大腦皮層中的擴(kuò)散[53]。因此，納米材料如何有效逃避大腦免疫系統(tǒng)清除，并且減少在腦中的擴(kuò)散，是延長(zhǎng)其在腦中穩(wěn)定工作時(shí)間需要考慮的問(wèn)題。

4 鐵基納米植入材料的生物安全性

納米顆粒臨床應(yīng)用的一個(gè)主要障礙在于其生物安全性。目前大部分磁性納米顆粒介導(dǎo)的神經(jīng)調(diào)控研究主要聚焦于調(diào)控效果和調(diào)控機(jī)制方面，僅有部分工作涉及對(duì)氧化鐵納米顆粒的生物相容性研究。Chen等的研究結(jié)果表明，與相似尺寸的不銹鋼植入物相比，植入Fe3O4納米顆粒的腦組織接觸面顯示出更低的膠質(zhì)細(xì)胞激活和巨噬細(xì)胞聚集[29]。注射到大腦皮層的磁性脂質(zhì)體和CoFe2O4@BATiO3納米顆粒溶液，在短期內(nèi)也不會(huì)引起植入組織小膠質(zhì)細(xì)胞激活和星型膠質(zhì)細(xì)胞增生[10, 45]。以上結(jié)果表明，磁性納米植入材料具有良好的生物相容性。體外細(xì)胞水平的研究顯示，磁性納米材料對(duì)大腦不同類(lèi)型細(xì)胞的毒性反應(yīng)不同。例如，氧化鐵納米顆粒通過(guò)內(nèi)吞作用進(jìn)入星型膠質(zhì)細(xì)胞，并定位于細(xì)胞內(nèi)囊泡中，在鐵含量高達(dá)毫摩爾數(shù)量級(jí)的濃度下，也不會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生明顯的毒性[54]。而對(duì)于小膠質(zhì)細(xì)胞，在與微摩爾數(shù)量級(jí)的氧化鐵納米顆粒共孵育后，細(xì)胞活性會(huì)受到嚴(yán)重影響。這可能是由于氧化鐵納米顆粒進(jìn)入細(xì)胞后，迅速進(jìn)入溶酶體中，在酸性環(huán)境下，引起氧化應(yīng)激造成的[55]。氧化鐵納米顆粒對(duì)細(xì)胞的不同作用可能與其類(lèi)酶活性相關(guān)。氧化鐵納米顆粒的酶活性具有pH依賴性，在酸性條件下，主要表現(xiàn)為過(guò)氧化物酶活性，通過(guò)芬頓反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基，引發(fā)氧化應(yīng)激產(chǎn)生細(xì)胞毒性。而在中性條件下，氧化鐵納米顆粒主要表現(xiàn)為過(guò)氧化氫酶的活性，可將H2O2分解為對(duì)機(jī)體無(wú)害的氧氣和水[56]。由此可見(jiàn)，磁性納米材料的細(xì)胞毒性可能和材料與細(xì)胞的相互作用及在細(xì)胞中的定位密切相關(guān)，還有待于進(jìn)一步的研究。

5 納米顆粒與神經(jīng)元膜的相互作用

通過(guò)納米材料轉(zhuǎn)化的局部光、電、熱等信號(hào)僅局限于納米顆粒周?chē)膮^(qū)域，隨著距離的增大，信號(hào)強(qiáng)度急劇下降[13, 47]，將納米顆粒附著在神經(jīng)元表面或直接作用在離子通道蛋白上，可以有效提高神經(jīng)調(diào)控效率[15]。納米顆粒與神經(jīng)元膜的相互作用與材料表面電荷密切相關(guān)。ζ電位小于-22 mV的負(fù)電荷納米顆粒能夠附著在神經(jīng)元膜上[57]，但負(fù)電荷磁性納米材料也會(huì)內(nèi)化進(jìn)入神經(jīng)元[58]。一方面，如上節(jié)所述，可能會(huì)產(chǎn)生不必要的毒副作用，另一方面，納米材料還會(huì)在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間進(jìn)行輸運(yùn)，造成在腦內(nèi)的擴(kuò)散。而帶正電或電中性的納米顆粒不與神經(jīng)元發(fā)生作用，也不會(huì)附著在神經(jīng)元細(xì)胞膜上[57]。因此，制備能夠特異性識(shí)別并附著于神經(jīng)元細(xì)胞膜，但不內(nèi)化進(jìn)入神經(jīng)元細(xì)胞的納米植入材料，將有利于提高神經(jīng)調(diào)控的效率。

6 結(jié) 語(yǔ)

磁性納米材料介導(dǎo)的神經(jīng)元磁調(diào)控是一種有前景的技術(shù)，通過(guò)介導(dǎo)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為局部的熱、電、機(jī)械等信號(hào)，磁性納米材料為大腦深部腦區(qū)神經(jīng)元的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)調(diào)控提供了有力工具。磁性氧化鐵納米顆粒具有良好的生物相容性，結(jié)合磁場(chǎng)能夠有效緩解小鼠帕金森模型和抑郁模型的癥狀，對(duì)神經(jīng)性疾病的臨床治療具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而，該領(lǐng)域仍有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究，主要為：① 磁性納米材料介導(dǎo)的神經(jīng)磁調(diào)控技術(shù)對(duì)神經(jīng)疾病的療效研究還處于起步階段，需要進(jìn)一步研究其對(duì)不同疾病神經(jīng)修復(fù)的效果和機(jī)制；② 進(jìn)一步研發(fā)能夠特異性識(shí)別神經(jīng)元的高性能磁性納米材料，提高神經(jīng)調(diào)控的時(shí)空分辨率，降低毒副作用；③ 納米材料植入腦內(nèi)穩(wěn)定工作的時(shí)間較短，需要研發(fā)植入大腦后能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定滯留的磁性納米材料，以滿足神經(jīng)調(diào)控治療長(zhǎng)期反復(fù)操作的需求。