多巴胺能神经元位于中枢神经系统的中脑区域，由此发出的多条神经纤维通路参与认知识别、运动控制、兴奋成瘾等生理活动，是引起动物一切行为反应的基础。中脑黑质多巴胺能神经元变性死亡的后果之一是导致帕金森症，这是一种中老年人常见的神经系统疾病；现有治疗解决方案包括药物治疗、基因治疗和细胞移植、细胞重编程等方案。开发非侵入式、简单并且有效的策略恢复内源性多巴胺神经元的功能仍然存在着巨大的挑战。
电磁场是生命系统不可或缺的一部分，它影响细胞内通讯、神经元活动、离子转运，从而影响细胞迁移、增殖和分化，甚至能够对细胞进行重新编程。近年来，纳米和生物界面相互作用成为大家关注的热点。压电材料因为内部原子的特殊排列，使得其在应力场下带电荷的质点发生相对位移而具有机电耦合效应。它可以很容易地响应外部刺激并将机械能转换为电能，是一种开展远程、非侵入性和精准调控神经的非常有前途的工具。由于独特的能量转换性能，压电纳米材料在生物医学中具有广阔应用前景，例如作为纳米药物中的多级载体、体内成像探针和诱导细胞生长/分化的纳米级换能器。具有较高压电系数和机电耦合系数的纳米材料在电磁场产生中的效率很高。
南京大学化学化工学院沈群东教授研究团队提出使用医用超声波远程激励压电纳米材料产生可调控的电磁场，在纳米-生物界面实现远程电刺激，用于调节神经可塑性，恢复帕金森动物模型中脑区域退行的多巴胺能神经元的功能。研究者通过水热法在压电纳米晶体表面复合特定厚度的导电碳壳层，其声阻抗和生物介质比较接近，降低声波传导损耗，并且增强界面处的电子极化。该核-壳结构的纳米材料在生物体内显示了出色的超声波吸收和电磁场生成性能。在超声波的声压作用下，压电纳米材料的电荷分离导致电势的产生，电位随着高频超声波产生周期性变化，且产生的电刺激强度足以激活神经细胞。

图1. 医用超声波作用下纳米颗粒产生电磁场调控神经示意图
压电纳米材料接受超声波后产生电信号传递给神经细胞，刺激神经细胞中电压依赖性离子通道，造成细胞去极化；同时增加了神经突触可塑性的标志物——突触素的表达，并可通过调控神经回路中钙离子内流控制斑马鱼的尾动。多巴胺是调控中枢神经系统的神经递质，酪氨酸羟化酶是多巴胺合成的限速酶，是催化L-酪氨酸向L-多巴转变的关键酶。由压电纳米材料产生的电场激活了酪氨酸羟化酶的表达，并改善了帕金森模型斑马鱼的运动障碍。该电磁化的纳米材料在脑部组织中具有良好的生物安全性，为远程治疗神经退行性疾病和神经再生提供了新思路。
沈群东教授课题组近年来专注于功能材料在生物医学领域的研究，在光响应的能量转换材料构建人工视网膜（Advanced Materials 2016, 28, 10684；ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12, 28759)、能量转换微机器人递送和远程调控分化神经细胞（Advanced Functional Materials 2020, 30, 1910323）、光响应导电水凝胶修复脊髓神经（ACS Nano 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c05197）、多巴胺响应光学探针脑成像及成瘾研究（ACS Applied Materials & Interfaces 2018,10, 4359；ACS Applied Materials & Interfaces 2015, 7, 18581）、能量转换纳米材料调控细胞内微环境促进肿瘤凋亡（Advanced Materials 2016, 28, 3313；Angewandte Chemie International Edition 2017, 56, 2588；Small 2019, 15, 1900212）、铁电高分子柔性脉搏传感器诊断心血管系统（Advanced Functional Materials 2016, 26, 3640）等方面开展了一系列的工作。
相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202003800)。南京大学化学化工学院博士生赵娣和丰培坚为该论文共同第一作者，沈群东教授、杭州电子科技大学的陈迎鑫副教授为该论文的共同通讯作者。南京大学生命科学学院朱景宁教授和化学化工学院徐静娟教授给予了协助。研究课题得到国家重点研发计划重点专项、国家自然科学基金等项目的资助。
文献信息
标题：Electromagnetized-Nanoparticle-Modulated Neural Plasticity and Recovery of Degenerative Dopaminergic Neurons in the Mid-Brain
链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003800