Nat Mater：山东大学仇吉川等开发了一种超声激活压电纳米棒用于创伤性脑损伤的神经干细胞治疗！

创伤性脑损伤(TBI)与威胁生命和永久性残疾有关。鉴于神经元再生能力有限，目前缺乏有效的TBI治疗方法。神经干细胞(NSCs)可以分化为功能齐全的神经元，因此有望用于TBI治疗。然而，神经干细胞的分化和增殖是缓慢和低效的。研究表明，压电刺激能够促进神经干细胞的分化和增殖。

2025年5月6日，山东大学仇吉川、刘宏、李刚、桑元华、易凡共同通讯在Nature Materials在线发表题为“Ultrasound-activated piezoelectric nanostickers for neural stem cell therapy of traumatic brain injury”的研究论文，该研究开发了一种超声激活压电纳米棒用于创伤性脑损伤的神经干细胞治疗。

在这里，研究人员描述了钛酸钡-还原氧化石墨烯(BTO/rGO)混合压电纳米棒，促进神经干细胞增殖和分化。这些混合纳米棒附着在NSC膜上，在超声刺激下充当压电电位的长期发生器。BTO/rGO纳米棒通过激活电压门控钙通道/Ca²⁺/钙调素非依赖性蛋白激酶II/cAMP反应元件结合蛋白途径，促进快速神经元分化和成熟。将含有BTO/rGO纳米棒的NSCs移植到患有TBI的大鼠的受损脑区域中，在每两天进行5分钟的超声照射后的28天之后，充分修复脑组织并有效恢复生理功能。这些结果证明了NSCs和BTO/rGO纳米棒的组合用于TBI治疗的潜力。

创伤性脑损伤(TBI)是全球年轻人残疾和死亡的主要原因。目前，由于成人神经元的再生能力有限，没有治疗方法可以有效逆转或减缓TBI的进展。受伤后，受损的神经元被清除，胶质细胞增生形成疤痕，导致受伤部位的神经功能障碍。涉及神经干细胞(NSCs)的疗法有望用于治疗TBI，因为NSCs能够在治疗的初始阶段通过分化补充神经元，并促进新神经回路的构建。然而，迄今为止，这种治疗几乎没有效果，因为NSCs的生理分化在自然条件下很慢，并且因为来自NSCs的神经元数量不足以修复神经网络或形成新的神经网络。据报道，一些生长因子，包括特定的蛋白质和核酸，可诱导NSCs快速和直接的神经元分化。然而，生长因子在体内以不受控制的方式扩散和降解;因此，与体外相比，生长因子在体内促进分化的能力及其特异性降低。

电刺激是一种提高基于神经干细胞的治疗效果的可行方法，因为它可以影响各种细胞过程，包括增殖、迁移、分裂、分化、凋亡和坏死。最近报道，电信号可以激活膜受体或调节离子转运和细胞内通讯，以加速NSCs的神经元分化。然而，使用外部信号发生装置的传统电刺激会导致不可避免的损伤和炎症，从而限制了其临床应用。压电纳米材料提供了一种非侵入性或微创的替代方案。这些材料可以产生放电，这种放电源于超声感应压力导致的晶格畸变。

BTO/rGO纳米棒在体外和体内的作用示意图（图源自Nature Materials）

由于具有高压电系数和良好的生物相容性，钛酸钡(BTO)纳米颗粒在神经元分化和神经再生的压电刺激方面获得了极大的关注。例如，已经证明BTO纳米颗粒通过压电刺激在动物模型中调节PC12细胞的分化和治疗中脑变性疾病。然而，研究表明，超声激活的BTO纳米颗粒产生的电信号对神经干细胞的神经元分化的影响是不稳定的，甚至会导致神经干细胞的死亡。这一发现给超声激活的BTO纳米颗粒在TBI NSC治疗中的应用蒙上了一层阴影。研究发现，BTO纳米粒子很容易被神经干细胞内吞，并在超声照射下在溶酶体中产生活性氧，导致细胞死亡。为了提高涉及BTO纳米颗粒的TBI NSC治疗的有效性，在防止ROS产生的同时增强压电刺激是至关重要的。

为了克服这个问题，研究人员首先通过将BTO纳米颗粒附着到二维氧化石墨烯纳米片的表面，提出了钛酸钡-还原氧化石墨烯(BTO/rGO)混合压电纳米棒。在这些压电纳米棒中，BTO纳米颗粒在超声照射下产生压电信号，rGO纳米片阻止BTO纳米颗粒的内吞，允许激活膜上的电压门控钙通道(VGCC)，这是刺激NSCs神经元分化的最佳位点。该研究开发了一种简单的治疗策略，包括移植神经干细胞与超声激活的BTO/rGO压电纳米棒，并显示移植的神经干细胞快速分化为功能神经元，对TBI产生更强的治疗效果。该研究探讨了压电纳米颗粒产生的细胞内和细胞外电刺激在调节神经干细胞命运中的作用差异。这些发现为在基于神经干细胞的TBI治疗中使用电刺激提供了一种有价值的方法，这对未来的临床治疗工作非常重要。

参考信息：

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02214-w#Sec32