開(kāi)啟組織—電子界面新時(shí)代

●創(chuàng)新點(diǎn)

隨著柔性電子器件在醫(yī)療健康領(lǐng)域的興起，生物組織與電子設(shè)備界面的標(biāo)準(zhǔn)化連接和快速集成成了急需攻克的難題。不同于電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化接口，生物組織因其柔軟、脆弱、形狀和大小不規(guī)則等特點(diǎn)難以具備標(biāo)準(zhǔn)化接口。

工業(yè)包裝中使用的熱收縮膜在加熱時(shí)可以快速收縮，從而對(duì)大小和形狀不規(guī)則的物體進(jìn)行形狀自適應(yīng)的包裹和覆蓋。然而，這些材料不適合生物應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兺ǔ１壬锝M織更堅(jiān)硬，且需要在90℃以上的高溫條件下收縮。

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院深圳先進(jìn)集成技術(shù)研究所神經(jīng)工程中心李光林、劉志遠(yuǎn)研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)、南京醫(yī)科大學(xué)，從蜘蛛絲中汲取靈感，創(chuàng)造性地研發(fā)出一種遇水能夠快速大幅度收縮的柔軟薄膜，為實(shí)現(xiàn)生物和電子設(shè)備之間的無(wú)縫集成提供了新的可能性。

●方法和結(jié)果

研究人員基于聚環(huán)氧乙烷和聚乙二醇-α-環(huán)糊精包合物制備出這種水響應(yīng)性的超收縮聚合物薄膜。該薄膜在正常環(huán)境條件下干燥、柔韌且穩(wěn)定，潤(rùn)濕后可在數(shù)秒內(nèi)收縮50%以上，并變得柔軟且可拉伸。薄膜分子鏈取向和帶微孔的多級(jí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了這種超收縮性，這也有利于電子集成。

接下來(lái)，研究人員用這種薄膜制成形狀自適應(yīng)電極陣列，簡(jiǎn)化了植入過(guò)程，使其在濕潤(rùn)后形狀自適應(yīng)地包裹不同大小的神經(jīng)、肌肉和心臟，并進(jìn)行在體神經(jīng)刺激和電生理信號(hào)記錄實(shí)驗(yàn)。

應(yīng)用前景

這種水響應(yīng)材料開(kāi)啟了組織—電子界面的新時(shí)代，在柔性植介入、可穿戴醫(yī)療電子等方面有潛在的重要作用。

Source: YI J, ZOU G J,HUANG J P, et al. Water-responsive supercontractile polymer films for bioelectronic interfaces[J]. Nature,2023, 624(7991): 295-302.

神經(jīng)回路特異性基因療法

帕金森病治療新策略

●創(chuàng)新點(diǎn)

帕金森病（PD）是一種影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的慢性神經(jīng)退化疾病，以多巴胺能神經(jīng)元喪失為特征，主要影響運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)，隨時(shí)間推移患者會(huì)出現(xiàn)顫抖、肢體僵硬、運(yùn)動(dòng)功能減退、步態(tài)異常等癥狀，也可能有認(rèn)知和情緒問(wèn)題。帕金森病是老年人群中最常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病之一，影響著全球600 多萬(wàn)老年人的生活質(zhì)量和生命體驗(yàn)。

目前，臨床上常用左旋多巴（多巴胺前體物質(zhì)）或多巴胺受體激動(dòng)劑治療帕金森病，但由于多巴胺受體在中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)分布廣泛，現(xiàn)有療法缺乏特異性，幾乎所有長(zhǎng)期接受左旋多巴治療的患者都會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)并發(fā)癥。來(lái)自中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的研究人員及其合作者開(kāi)發(fā)出一種基因治療策略，可選擇性地操縱受帕金森病影響的神經(jīng)回路，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、高效和穩(wěn)定的治療。

●方法和結(jié)果

表達(dá)多巴胺受體D1 的中型多棘神經(jīng)元（D1-MSN）和表達(dá)多巴胺受體D2 的中型多棘神經(jīng)元（D2-MSN）占紋狀體神經(jīng)元的90%。D1-MSN 和D2-MSN 都接受來(lái)自黑質(zhì)致密部的多巴胺能神經(jīng)支配，在運(yùn)動(dòng)控制中卻扮演著截然不同的角色。投射到蒼白球內(nèi)側(cè)部和黑質(zhì)網(wǎng)狀部的D1-MSN 構(gòu)成直接通路并促進(jìn)運(yùn)動(dòng)，投射到蒼白球外側(cè)部的 D2-MSN 則構(gòu)成間接通路并介導(dǎo)運(yùn)動(dòng)抑制。在帕金森病中，多巴胺耗竭會(huì)導(dǎo)致上述直接通路的活動(dòng)減退和間接通路的活動(dòng)過(guò)度，從而引起多種運(yùn)動(dòng)癥狀。

研究人員設(shè)計(jì)了一種由高效逆行腺相關(guān)病毒 （AAV）、具有強(qiáng) D1-MSN 活性的啟動(dòng)子元件和化學(xué)遺傳學(xué)效應(yīng)子組成的治療策略，可以特異性地標(biāo)記并操控D1-MSN，從而驅(qū)動(dòng)D1-MSN 介導(dǎo)的直接通路。

在帕金森病靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物模型中，實(shí)施這種靶向 D1-MSN 的神經(jīng)回路特異性基因療法后，運(yùn)動(dòng)遲緩、僵硬和震顫等典型運(yùn)動(dòng)癥狀得到了極大改善。

應(yīng)用前景

與目前的治療方法相比，這種特異性操縱神經(jīng)回路的基因療法不僅療效顯著，而且起效更快、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，有望幫助老年人緩解痛苦，提高生活質(zhì)量。除了治療帕金森病的潛力外，該療法還為未來(lái)開(kāi)發(fā)治療其他腦部疾病的基于神經(jīng)回路的靶向治療策略提供了參考。

Source: CHEN Y F, HONG Z X, WUANG J Y, et al. Circuitspecific gene therapy reverses core symptoms in a primate Parkinson’s disease model[J]. Cell, 2023,186(24), 5394-5410.

跟北極熊學(xué)保暖

仿生學(xué)再立功

●創(chuàng)新點(diǎn)

2023 年冬天，寒潮早早地侵襲了我國(guó)多個(gè)省份，你的衣服足夠抵御嚴(yán)寒嗎？

對(duì)于抗寒保暖這件事，北極熊是一本“行走的教科書(shū)”。一身超強(qiáng)保暖的“毛衣”讓北極熊能適應(yīng)-40 ℃的環(huán)境。

浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院柏浩教授和高分子科學(xué)與工程學(xué)系高微微副教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)模仿北極熊毛的“核-殼”結(jié)構(gòu)，制備出一種封裝了氣凝膠的超保暖人造纖維。

●方法和結(jié)果

研究人員在電子顯微鏡下仔細(xì)觀察北極熊的毛，注意到了一個(gè)過(guò)去被忽略的細(xì)節(jié)：北極熊的毛不僅是中空的，而且還有一層殼。借鑒北極熊毛的 “核- 殼”結(jié)構(gòu)，歷時(shí)近6 年，團(tuán)隊(duì)做出了一種新型纖維：纖維的中心是高分子氣凝膠，其內(nèi)部分布著直徑大約為10 ～30μm 的纖長(zhǎng)的小孔，它們朝著同一個(gè)方向排列，像一個(gè)個(gè)存儲(chǔ)空氣的倉(cāng)庫(kù)；同時(shí)，一層TPU（熱塑性聚氨酯彈性體）外殼將內(nèi)部的氣凝膠包裹起來(lái)。

研究人員在-20℃的環(huán)境中測(cè)試了羽絨衣、羊毛毛衣、棉毛衫和“北極熊毛衣”的保暖效果，結(jié)果顯示，這種新型保溫材料制作的衣服保暖性能遠(yuǎn)強(qiáng)于厚度接近的羊毛毛衣、棉毛衫，以及厚得多的羽絨服。

這種材料不但有傳統(tǒng)保溫材料的隔熱功能，還能“封鎖”人體向外輻射的紅外線，耐拉伸等力學(xué)性能也大大提升，可直接機(jī)織，能真正實(shí)現(xiàn)把氣凝膠穿在身上。

應(yīng)用前景

這種仿生北極熊毛保暖材料可能會(huì)帶來(lái)保暖衣物的新革命，保暖衣物將變得更保暖、更輕薄、更價(jià)廉，大大改善人們的過(guò)冬體驗(yàn)。

Source: WU M R, SHAO Z Y, ZHAO N F, et al. Biomimetic,knittable aerogel fiber for thermal insulation textile[J].Science, 2023, 382,1379-1383.