深脑电刺激（DBS）被形象地称为“脑起搏器”。
植入大脑深部的电极发出的电脉冲，可以改变相应神经元兴奋性。DBS已经用于帕金森病（PD）、癫痫以及梅杰综合征等疾病的治疗[1]。然而，DBS的植入毕竟还是需要进行颅脑手术，患者需要承担手术相关并发症的风险。
虽然一些学者提出了潜在的替代疗法，如光遗传学、磁热疗法以及磁电疗法等[2-4]，但非特异的基因插入以及高温对非靶区组织的损伤，仍是需要解决的问题。因此，若能开发一种非侵入性、更安全的神经刺激疗法，对于PD等神经功能障碍患者的临床治疗将具有重大意义。
近日，来自韩国浦项科技大学的Won Jong Kim团队在《自然·生物医学工程》杂志发表重磅研究成果[5]。他们开发了一种可用于刺激大脑深部组织的压电纳米颗粒，该纳米颗粒在聚焦超声作用下可释放一氧化氮，从而打开血脑屏障并进入脑实质，同时可由超声诱导产生压电效应，从而发出电流刺激多巴胺能神经元释放多巴胺，缓解PD模型小鼠的症状，同时无明显的毒副作用。
这种纳米颗粒使非侵入性、安全地对脑内靶区实行电刺激成为现实，PD等神经退行性疾病有望迎来新疗法。
论文首页截图
Kim团队使用的压电颗粒被称为BTNP–pDA–BNN6，BNN6是一种可在超声刺激下释放一氧化氮的材料，BTNP是一种直径为200纳米的压电钛酸钡纳米颗粒，是BNN6的载体。pDA（聚多巴胺）为包被在BTNP表面的具有胶体稳定性、导电性和生物相容性的涂层，用以连接BNN6和BTNP。
BTNP–pDA–BNN6结构示意图
Kim团队首先验证了该纳米颗粒是否可以在超声作用下释放出一氧化氮。结果显示，与没有超声波作用时相比，在超声波（490W，40kHz，5.2W/cm²）作用下BNN6可从BTNP表面分离，并释放出更多的一氧化氮，且不影响材料的压电特性。
在超声波作用下BTNP–pDA–BNN6可释放出一氧化氮
紧接着，他们利用膜片钳技术检测了BTNP–pDA在生理条件下的超声诱导压电效应，发现BTNP-pDA可产生与超声强度呈正比的电流。
此外，BTNP–pDA可在超声作用下引起脑切片中兴奋性突触后电流的强度和频率升高，对神经元的兴奋性起到调控作用。这些结果表明BTNP–pDA的压电特性可在超声作用下对神经元进行电刺激。
BTNP-pDA可产生与超声强度呈正比的电流
DBS的作用机理被认为是电刺激打开了神经元细胞膜上的Ca2+离子通道，使突触中神经递质加速释放，从而起到治疗作用[6]。BTNP–pDA–BNN6的作用机理在理论上与DBS相似。
通过对SH-SY5Y细胞（神经母细胞瘤来源的神经元样细胞）Ca2+离子动态变化的记录，Kim团队证实了在声强为0.4W/cm²的超声（对细胞间连接、生长、活性无明显影响）及BTNP–pDA–BNN6作用下，SH-SY5Y细胞内的钙离子浓度明显增加，而在单独超声或纳米颗粒的作用下，细胞内的钙离子浓度则无明显变化。
同时，与钙离子浓度变化一致，在超声及BTNP–pDA–BNN6作用下，细胞培养液内多巴胺浓度也升高，而加入钙离子螯合剂后，培养液内的多巴胺浓度变化消失，表明多巴胺浓度的升高的确是由于超声及BTNP–pDA–BNN6作用下细胞内钙离子浓度升高所致。
超声及BTNP–pDA–BNN6作用下SH-SY5Y细胞内的钙离子浓度明显增加，且培养液内的多巴胺浓度升高
脑部给药最大的障碍就是血脑屏障，Kim团队发现BTNP–pDA–BNN6可以通过释放一氧化氮来打开血脑屏障。在给小鼠注射BTNP–pDA–BNN6，并使用高强度聚焦超声处理，可以观察到小鼠脑实质中纳米颗粒的浓度显著升高。
超声作用后该纳米颗粒通过释放一氧化氮来打开血脑屏障
随后，Kim团队探究了该纳米颗粒打开血脑屏障的机制。经过研究发现，BTNP–pDA–BNN6释放的一氧化氮可显著升高基质金属蛋白酶-9（MMP9）的表达水平，从而降解紧密连接蛋白ZO-1，进而打开血脑屏障。
此外，他们还通过实验证实，BTNP–pDA–BNN6释放一氧化氮后造成的血脑屏障打开并不是永久的，大约在2小时之内，血脑屏障会重新关闭。这对防止血脑屏障永久性破坏可能造成的缺血性卒中、神经炎症和神经退行性疾病等至关重要。
BTNP–pDA–BNN6释放一氧化氮后造成的血脑屏障打开机制，且血脑屏障的打开是可逆的
接下来就是整个研究最关键的步骤了。
Kim团队给PD小鼠模型（通过MPTP诱导）注射了BTNP–pDA–BNN6，然后靶向丘脑底核进行高强度聚焦超声作用。
结果显示，该区域神经元被明显激活，并使得其下游（尤其是背侧纹状体细胞外）多巴胺水平明显升高，从而改善了PD小鼠的运动症状。在连续10天的超声及BTNP–pDA–BNN6作用下，PD小鼠转棒实验的成绩明显提高。
超声联合BTNP–pDA–BNN6可有效改善PD小鼠运动症状
Kim团队还发现超声联合BTNP–pDA–BNN6作用减少了黑质中多巴胺能神经元的死亡，这同样可起到减轻PD症状的作用。
最后，他们评估了超声联合BTNP–pDA–BNN6作用是否具有明显的毒副作用。通过对小鼠血液样本、脑组织以及心、肝、肺、脾、肾等进行活检，他们并未发现该疗法具有明显的毒副作用。
总的来说，Kim团队开发了一种非侵入性、安全性很高的压电纳米颗粒BTNP–pDA–BNN6，该颗粒不仅可在超声作用下释放一氧化氮，可逆地打开血脑屏障，而且可以在超声作用下对靶区产生电刺激，进而对如PD等疾病起到治疗作用，是一种具有重要潜在应用价值的无创疗法。
参考文献
1.Okun MS: Deep-brain stimulation for Parkinson’s disease. N Engl J Med 2012, 367(16):1529-1538.
2.Chen R, Romero G, Christiansen MG, Mohr A, Anikeeva P: Wireless magnetothermal deep brain stimulation. Science 2015, 347(6229):1477-1480.
3.Guduru R, Liang P, Hong J, Rodzinski A, Hadjikhani A, Horstmyer J, Levister E, Khizroev S: Magnetoelectric ‘spin’ on stimulating the brain. Nanomedicine (Lond) 2015, 10(13):2051-2061.
4.Chen S, Weitemier AZ, Zeng X, He L, Wang X, Tao Y, Huang AJY, Hashimotodani Y, Kano M, Iwasaki H et al: Near-infrared deep brain stimulation via upconversion nanoparticle-mediated optogenetics. Science 2018, 359(6376):679-684.
5.Kim T, Kim HJ, Choi W, Lee YM, Pyo JH, Lee J, Kim J, Kim J, Kim JH, Kim C et al: Deep brain stimulation by blood-brain-barrier-crossing piezoelectric nanoparticles generating current and nitric oxide under focused ultrasound. Nat Biomed Eng 2022.
6.Kringelbach ML, Jenkinson N, Owen SL, Aziz TZ: Translational principles of deep brain stimulation. Nat Rev Neurosci 2007, 8(8):623-635.
来自： 奇点神思
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