水凝胶离子电路电刺激系统用于长间隙周围神经损伤后去神经支配肌肉功能恢复

《Bioactive Materials》：A hydrogel ionic circuit electrical stimulation system to restore denervated muscle following long-gap peripheral nerve injury

　　

电刺激（EStim）已被用于在神经再生等待期锻炼去神经支配肌肉，以预防肌肉萎缩。然而，达到最大治疗效果需要更高的EStim强度，这具有挑战性，因为常规电极会产生热量并改变pH，可能造成组织损伤。本研究开发并应用了一种新型水凝胶离子电路（HIC）基EStim系统，该系统具有离子导电性并可避免组织损伤。该HIC在体外与体内均以32?mA的高EStim强度安全递送，未引起显著细胞死亡或组织损伤。高强度EStim促进成肌细胞向肌管分化，增加生长因子生成，并增强细胞外囊泡释放。在长间隙坐骨神经大鼠模型中，高强度EStim减轻肌肉萎缩、稳定神经肌肉接头、上调再生相关蛋白，同时促进神经再生。综上，这些发现表明HIC为高强度EStim增强神经肌肉再生与功能恢复提供了安全有效的平台。

研究背景方面，周围神经损伤（PNI）是常见临床问题，去神经后肌肉因缺乏神经信号发生萎缩，质量与功能可丧失逾40%。现有干预如干细胞、生长因子、抗纤维化剂及运动均受限于存活率、半衰期、成本或早期不可行；电刺激（EStim）虽可模拟神经信号诱发收缩，但常规金属或碳电极依赖电子导电，在电极-组织界面发生电化学（EC）反应，引起产热与pH波动，限制其安全电流密度约0.5?mA?cm^?2，难以发挥>16?mA高强度疗效。既往离子导电水凝胶（含NaCl、聚电解质、离子液体）又存在焦耳热、细胞毒或离子泄漏缺陷。为此，研究人员构建聚乙二醇（PEG）基水凝胶离子电路（HIC），利用近饱和磷酸盐溶液腔室与PEG膜形成水相两相分离（ATPS），直接转换电子流为离子流，消除EC反应，实现安全高强度刺激。该文发表于《Bioactive Materials》。

关键技术方法上，研究人员采用10?mm坐骨神经离断长间隙大鼠模型（n对应各组另述），制备PEGDA/PEGDMA光固化PEG水凝胶膜耦合含碳电极的磷酸盐缓冲HIC器件；体外以C2C12成肌细胞与hADMSC为对象，离体以猪肉及大鼠腓肠肌为组织模型，体内经皮肤转cutaneous刺激麻醉大鼠腓肠肌；结合COMSOL有限元模拟多层组织电流分布；并以Live/Dead、MTT、免疫荧光（IF）、qPCR、生长因子阵列、ELISA、纳米颗粒追踪（NanoSight）、透射电镜（TEM）、H&E及神经功能行为学进行评价。

研究结果部分，2.1节“高强度EStim的细胞相容性由HIC器件实现”中，体外C2C12经16?mA与32?mA刺激60?min，碳电极致膜破损与活力下降，HIC组死细胞极少且MTT活力同对照；PEG水凝胶条件培养基细胞毒性低于NaCl聚丙烯酰胺凝胶（NPG）。2.2节“高强度EStim增强肌管形成与成肌基因表达”显示，32?mA组肌管分化指数与融合指数高于16?mA及对照，Pax7下调、Myog与Myh4上调，多次刺激进一步促进终末分化。2.3节“高强度EStim促进生长因子与小型细胞外囊泡（sEV）分泌”指出，32?mA上调双调蛋白、神经生长因子（NGF）、肝细胞生长因子（HGF）、干细胞因子（SCF）、血管内皮生长因子（VEGF）及血小板源生长因子（PDGF）等，条件培养基促施万细胞增殖；TEM见多泡体增多，sEV粒径50–150?nm且数量显著提升，PDGF-BB在培养基中浓度增加。2.4节“高强度EStim在离体与体内经HIC均安全”中，猪肉模型32?mA下碳电极CEM₄₃高且pH极化，HIC阳极阴极温度累计等效分钟低、pH不变；大鼠经皮刺激1?h平均温约27?°C，24?h阳极轻度炎性浸润、7?d表皮轻微角化增生，无坏死，16周每周刺激仅见巨噬细胞与角化，无行为异常。2.5节“高强度EStim穿透深部腓肠肌”经COMSOL多层（表皮13.8?μm、真皮250?μm、脂肪0.4?mm、肌肉各向异性σ_L=0.21?S/m、σ_T=0.14?S/m）模拟，7.04?V/20?Hz驱动下电流密度与电势实测同仿真吻合，证实场深达肌层。

讨论与结论部分，研究人员指出传统电极EC反应瓶颈使>16?mA疗效无法转化临床，HIC凭ATPS阻离子扩散、磷酸盐缓冲吸热中和pH、高浓度液室低电阻抑焦耳热，将安全电流密度提至75–87?mA?cm^?2。长间隙PNI模型证明早期（伤后即可）每周HIC-EStim共16周，能保肌肉质量与收缩力、稳神经肌肉接头、促轴突髓鞘再生及感觉运动恢复。结论原文意译：HIC提供安全高效的高强度EStim平台，可在神经再生等待期维持去神经肌肉结构与旁分泌微环境，同时上调再生蛋白，协同促进神经肌肉功能恢复，为长间隙周围神经损伤康复提供新路径。