基于PEG修饰MXene纳米片实现跨颅精准光学神经调控的新策略

《Journal of Nanobiotechnology》：Transcranial and precise optical neuromodulation mediated by NIR photoactive nanosheets

本研究针对传统神经调控技术存在的侵入性损伤和时空分辨率不足等问题，开发了一种基于聚乙二醇修饰的二维Ti3C2Tx（MXene）近红外光活性纳米片（PANS）的跨颅光学神经调控新策略。该研究通过建立纳米光子神经界面，实现了对非转基因神经元的高精度调控（亚细胞分辨率，毫秒级精度），在脑片实验中动作电位同步化率达98.33%，并在自由活动小鼠中成功调控了特定神经环路和行为。这种无需基因操作和植入器械的神经调控技术为神经科学研究提供了新途径。

　　

在神经科学和神经疾病治疗领域，如何精确调控特定神经元活动一直是重大挑战。传统方法如深部脑刺激（DBS）需要植入电极，可能造成组织损伤；而新兴的光遗传学技术虽然具有高时空分辨率，但依赖基因操作和可见光刺激，限制了其临床应用。因此，开发一种无需基因操作、低侵入性且具有高时空精度的神经调控技术具有重要意义。

近日，Yang等人开发了一种基于光活性纳米片（PANS）的跨颅光学神经调控新方法。研究人员通过聚乙二醇（PEG）修饰的二维Ti₃C₂T_x（MXene）纳米材料，建立了纳米光子神经界面，实现了对非转基因神经元的精准光学调控。该研究成果发表在《Journal of Nanobiotechnology》上，为神经环路解析和神经疾病治疗提供了新思路。

研究团队采用了几项关键技术方法：通过锂氟/盐酸（LiF/HCl）体系选择性蚀刻Ti₃AlC₂ MAX相材料制备MXene纳米片，并经PEG修饰增强其生物相容性；利用紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）光谱、拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）对材料进行表征；通过钙成像和全细胞膜片钳技术评估神经活动；采用立体定位注射技术在体导入PANS，并结合多通道记录系统进行在体电生理记录；通过开放场实验和行为分析评估神经调控效果。实验使用雄性C57BL/6小鼠和新生SD大鼠的 hippocampal neurons（海马神经元）作为研究对象。

制备与表征PANS

研究人员通过选择性蚀刻Ti₃AlC₂ MAX相材料中的铝层，制备了MXene纳米片（pre-PANS），然后通过PEG修饰获得PANS。

PEG修饰使纳米片的平均粒径从190.27±2.4纳米增加到285.97±3.7纳米，形成了稳定的胶体悬浮液。材料在近红外区域表现出强吸收，在785纳米处有吸收峰。光热性能测试显示，PANS可在毫秒级近红外照射下诱导瞬时局部温度升高，具备神经调控潜力。

近红外光学调控神经元信号动力学

细胞毒性实验表明，PANS具有优异的生物相容性，细胞存活率超过98%。得益于PANS的负电荷特性，它们能够稳定粘附在神经元膜上形成稳固的界面。

钙成像实验显示，PANS介导的近红外光刺激能够引发显著且即时的钙内流，而对照组则无此现象。高分辨率钙成像表明，PANS介导的近红外光刺激可以选择性激活单个神经元的亚细胞结构。值得注意的是，在一个神经元中引发的钙内流信号可以传递到相邻神经元，表明这种调控可以影响相互连接的神经元网络。

体外电生理学研究

全细胞膜片钳记录显示，pre-PANS介导的近红外光刺激无法诱导动作电位，而PANS介导的刺激则成功诱发了动作电位。

同步化分析显示，随着近红外光能量增加，神经元放电与激光脉冲的同步化逐渐提高，在0.06毫焦（15毫秒脉冲）时达到98.33%。在10赫兹的高频刺激下，神经元仍能成功被调制，且保持稳定的同步化率，表明PANS介导的近红外光刺激能够有效、安全地调节神经元电活动。

在体电生理学研究

研究人员将PANS立体定位注射到海马区，通过16通道电极记录神经活动。

结果显示，aCSF注射组的神经元放电率在近红外光刺激后无变化，而PANS注射组在刺激后出现明显的神经元放电。神经元放电在激光脉冲停止后逐渐恢复至基线水平，表明神经元在刺激后仍保持活性。随着刺激能量增加，神经元放电率显著提高，但存在上限，反映了神经元固有的生理特性限制。

PANS介导的近红外光神经调控用于行为调节

研究人员将PANS注射到初级运动皮层的节律性触须运动区，发现PANS介导的近红外光刺激能够引发触须运动，而aCSF对照组则无反应。

在开放场实验中，PANS注射小鼠在近红外激光脉冲下运动加快，总运动量显著增加，而对照组无明显速度变化。免疫组化染色显示，PANS介导的近红外光刺激显著增加了特定脑区c-Fos阳性神经元数量，表明特定脑区和下游通路被激活。研究还发现PANS在体内不会引起慢性炎症反应，具有良好的生物相容性和长期稳定性。

该研究成功开发了一种基于PANS的跨颅、精准、非基因操作的神经调控策略。PANS能够稳定粘附于神经元形成光学界面，以亚细胞分辨率和毫秒级精度高效调控非转基因神经元。这种神经调控技术结合了纳米材料（高时空分辨率和非基因操作）和外部物理场（深部穿透和微创性）的优势，为神经科学研究提供了新的技术平台。未来需要进一步研究PANS在脑内的功能寿命和清除途径，以实现慢性在体近红外光神经调控。这种前瞻性的靶向神经元修饰方法可能实现纳米材料介导的神经调控的细胞类型特异性，为神经疾病治疗开辟新途径。