LN-PMUT超声换能器通过肾门植入实现即时血压降低

《Biomaterials》：LN-PMUT Ultrasonic Transducer Enables Instantaneous Blood Pressure Reduction via Renal Hilar Implantation

　　

血压（blood pressure, BP）是基本的生命体征，但目前尚无用于血压调控的植入式装置。本文报道了一种基于无铅铌酸锂（lithium niobate, LN）压电微机械超声换能器（piezoelectric micromachined ultrasonic transducer, PMUT）技术的小型化超声探头。该器件采用双电极设计，具有增强的发射灵敏度和声输出，同时保持紧凑的尺寸（3×3 mm2，3 mg）、宽带宽（约32%）和2.5 MHz谐振频率。单侧植入并在肾门施加振动刺激可诱导血压立即降低。连续一周每日刺激可重复降低血压，但效果仅限于刺激期间。探头激活可降低肾血管阻力并增加肾灌注，在研究期间未观察到可检测的结构损伤或肾功能障碍。肾门组织的转录组测序显示刺激后双侧神经系统发生改变。进一步分析提示降压效应部分由感觉神经释放降钙素基因相关肽（calcitonin gene-related peptide, CGRP）介导。此外，转录组分析显示刺激侧内分泌相关通路发生改变，尤其是醛固酮相关通路。总之，LN-PMUT超声探头肾门植入可实现即时血压降低，并可能涉及与血压调节相关的神经和内分泌通路改变，为开发植入式血压调节器提供了一种潜在策略。

论文解读：基于LN-PMUT超声换能器肾门植入实现即时血压降低的研究

一、研究背景与问题

血压（blood pressure, BP）是机体基本生命体征之一，血压异常过高或过低均可导致危及生命的后果。目前临床血压管理主要依赖药物控制，这要求患者对长期用药具有高度依从性，同时对药物的即时疗效也有严格要求。受心脏起搏器等植入式医疗设备的启发，研究者思考是否能够设计一种用于血压调控的植入式装置。超声技术在血压相关应用中已展现出巨大潜力：超声既可用于血压和血流动力学检测，也可通过体外刺激颈动脉提升休克患者血压。近年来，柔性可拉伸超声技术的快速发展为可穿戴和植入式医疗应用开辟了新途径，例如基于锆钛酸铅（lead zirconate titanate, PZT）的皮肤适形柔性超声阵列已实现血压波形和动脉硬度等心血管参数的连续监测，可穿戴超声微针贴片可用于透皮给药治疗痛风性关节炎，螺旋超声贴片可通过外周神经调控缓解糖尿病神经病理性疼痛。然而，植入式血压超声调节器的发展仍面临两个关键挑战：缺乏合适的小型化器件以及缺乏最佳的干预解剖部位。肾门区域受感觉神经和运动神经的丰富支配，是安全有效调节血压的理想位置。已有研究表明，适当的电刺激可产生升压效应，而超声肾去神经术——通过血管内导管递送超声能量不可逆地消融肾周神经——可实现持续性降压效应。因此，利用团队自主开发的基于无铅LN-PMUT技术、面积小于1 cm2的高频超声探头，在大鼠中开展肾门植入调控血压的初步研究，具有重要的科学意义和应用前景。

二、研究内容与主要结论

研究人员设计并制备了一种基于无铅铌酸锂（LN）压电微机械超声换能器（PMUT）的小型化超声探头，采用双电极设计以增强发射灵敏度和声输出，器件尺寸仅3×3 mm2，重量3 mg，中心频率约2.5 MHz，-6 dB带宽约32%。该器件通过微机电系统（microelectromechanical systems, MEMS）工艺制造，由上电极（Al/Ti）、压电层（LN）、下电极（Au）、埋氧层、硅衬底和空腔构成，并采用8×8阵列架构通过并联激励提高声输出。体外水听器测试显示，在30 Vpp、2.5 MHz激励下，8×8阵列的峰值声压约为单阵元的4.4倍（约600 kPa），表明阵列架构有效增强了声场幅度和空间集中度。组织衰减实验显示，商业2.5 MHz超声探头经组织传播后声压显著衰减，而将LN-PMUT探头直接置于肾门旁可改善局部能量递送并减少与组织衰减、解剖运动和靶标对齐相关的变异性。该研究将探头植入大鼠肾门区域，在麻醉状态下通过颈动脉有创血压监测和心电图记录评估血压和心率变化。在Wistar-Kyoto（WKY）正常血压大鼠中，肾门刺激诱导瞬时血压降低，左右肾门均有效；在自发性高血压大鼠（spontaneously hypertensive rats, SHR）中，刺激后血压在数秒内下降，平台期持续至刺激结束，随后在数分钟内恢复，且心率不变。激光散斑血流成像和小动物超声显示，探头激活可增强肾灌注并降低肾动脉阻力指数，提示肾血管舒张。单次刺激未损害肾功能，苏木精-伊红（hematoxylin-eosin, HE）染色未见肾结构损伤。连续7天每日下午2点至5点对SHR进行3小时肾门刺激，尾套血压测量显示每次刺激后血压均显著降低，线性混合效应模型分析显示刺激组的刺激前后血压降幅显著大于对照组和假手术组，但第二天血压恢复至高血压水平，表明降压效应是短暂且可逆的。一周刺激后，血浆CGRP水平和肾功能指标在各组间无显著差异，肾结构未受破坏。转录组测序分析比较了刺激侧右肾门（Stim-R）、对侧非刺激左肾门（NonStim-L）和对照组右肾门（Ctrl-R）的差异表达基因。KEGG富集分析显示，与对照组相比，Stim-R和NonStim-L均表现出神经系统通路的显著变化，表明单侧刺激诱导双侧神经系统改变；Stim-R还表现出内分泌系统通路的显著激活，尤其是醛固酮相关通路和肾素-血管紧张素-醛固酮系统（renin-angiotensin-aldosterone system, RAAS）的变化。进一步检测循环神经体液因子发现，交感神经递质（肾上腺素、去甲肾上腺素、多巴胺、酪氨酸羟化酶）无显著变化，而血浆降钙素基因相关肽（CGRP）水平显著升高。免疫组化显示刺激侧肾周CGRP表达增加。利用辣椒素消融感觉神经和Ubrogepant阻断CGRP受体两种干预手段，均能部分减弱探头诱导的降压效应，其中辣椒素预处理可减弱刺激诱导的血浆和肾组织CGRP升高，而Ubrogepant预处理不能阻止CGRP升高但部分阻断血压下降。这些结果表明，感觉神经激活和CGRP释放是超声探头降压效应的部分机制。

三、主要技术方法

该研究使用的主要技术方法包括：①基于SOI晶圆和磁控溅射、离子束刻蚀、湿法刻蚀、深反应离子刻蚀等MEMS工艺制备LN-PMUT器件，并采用双电极设计和8×8阵列架构；②水听器测试系统进行水下超声发射特性表征，包括声压-距离曲线、频率响应和脉冲回波测试，并使用新鲜猪腹壁肌肉样本评估组织衰减；③大鼠颈动脉有创血压监测和心电图记录，以及尾套无创血压监测系统；④肾门超声探头植入手术，并采用多策略固定（锚定孔、生物粘合剂、分层缝合）减少移位；⑤激光散斑血流成像和小动物超声评估肾血流和肾动脉阻力指数；⑥药理学干预，包括辣椒素（capsaicin）消融感觉神经和Ubrogepant阻断CGRP受体；⑦HE染色和CGRP免疫组化评估肾结构及CGRP表达；⑧血浆肾功能标志物检测；⑨转录组测序（RNA-seq）和生物信息学分析，鉴定差异表达基因并进行GO和KEGG通路富集分析；⑩统计学分析使用SPSS、GraphPad Prism和R软件，采用t检验、重复测量方差分析和线性混合效应模型等。样本来源包括WKY和SHR大鼠，购自北京华阜康生物科技股份有限公司，饲养于四川大学华西医院动物实验中心。

四、研究结果

（1）LN PMUT的设计与表征：成功制备了尺寸3×3 mm2、重量3 mg的无铅LN-PMUT器件，具有2.5 MHz中心频率、32%带宽和约20 kPa/V发射灵敏度。器件批次间一致性良好。双电极设计使薄膜整个区域应力方向一致，在相同电压下产生更大的机械位移。阵列架构在30 Vpp、2.5 MHz条件下峰值声压达约600 kPa，为单阵元的4.4倍。组织衰减实验表明，与商业探头相比，将LN-PMUT直接置于肾门旁可减少组织衰减造成的声能损失。

（2）肾门激活LN-PMUT超声探头可诱导即时且可逆的血压降低：在WKY大鼠中，肾门刺激诱发瞬时血压下降；在SHR大鼠中，刺激后血压在数秒内下降，维持至刺激结束，随后数分钟内恢复，心率不变。探头激活增加肾灌注、降低肾动脉阻力指数，单次刺激未损害肾功能或肾结构。

（3）植入后重复刺激诱导可逆血压降低且不损伤肾：连续7天每日3小时肾门刺激显著降低SHR尾套血压，但次日血压恢复至高血压水平。心率、体重无显著变化，肾功能标志物和肾结构未见异常。

（4）单侧肾门超声刺激诱导双侧神经系统改变和单侧内分泌系统改变：RNA-seq显示Stim-R和NonStim-L均与Ctrl-R存在显著差异表达基因，而两者之间差异较小。KEGG富集显示神经系统通路在双侧均被激活，内分泌通路主要在Stim-R激活，特别是醛固酮相关通路和RAAS。刺激侧内部比较中，内分泌系统表现出显著差异，而神经系统无明显差异；非刺激侧与对照组比较也显示神经系统和内分泌系统均被激活。

（5）LN-PMUT超声探头通过感觉神经介导的CGRP释放部分降低血压：交感神经递质无显著变化，血浆CGRP显著升高。免疫组化显示刺激侧肾周CGRP表达增加。辣椒素预处理减弱CGRP升高并部分降低降压效果；Ubrogepant阻断CGRP受体也部分阻断血压降低。这表明感觉神经激活和CGRP释放是该超声设备降压效应的机制之一。

五、讨论总结与研究结论

讨论部分指出，该研究首次证明在单侧肾门使用LN-PMUT超声换能器振动可在大鼠中诱导即时血压下降，此前未见报道。与超声肾去神经术永久性神经破坏不同，该装置旨在实现植入式、按需、可逆的血压降低，尤其适用于高血压危象等急性或紧急情况。与现有可穿戴和植入式超声换能器相比，该LN-PMUT探头具有小型化、生物相容性和应用特异性的独特组合。植入式构型可提高靶向稳定性、局部能量递送和刺激可重复性。研究者推测WKY和SHR降压持续时间差异可能与基线血压水平有关：WKY血压从正常水平降至接近休克阈值，可能触发代偿性升压机制；而SHR从严重高血压降至正常水平，未触发代偿反应。关于CGRP机制，辣椒素预处理并非完全特异，Ubrogepant阻断也仅部分减弱降压效应，因此CGRP信号并非唯一或最终机制。研究者推测是否发生全身交感激活取决于刺激方式或强度。转录组显示刺激侧醛固酮相关通路改变，但未直接测量醛固酮、肾素、血管紧张素II、尿量、电解质平衡或肾内分泌功能，因此这些发现目前应视为假说生成性观察。关于长期效应，CGRP半衰期极短，每日降压效应可逆，提示该装置更适合作为高血压危象的急性干预手段而非慢性疾病管理方案。研究局限性包括SHR模型不能完全模拟人类高血压多因素病因、超过7天的慢性组织反应未知、长时间刺激可能引起不良事件、安全性窗口尚未建立、当前探头需有线连接外部驱动电路。未来计划开发微型低功耗驱动电路、无线能量传输和蓝牙低功耗通信技术、更柔软的封装材料和仿形固定机构。研究结论：利用基于LN的MEMS PMUT技术，研究人员开发了一种植入式超声探头，在肾门刺激后可诱导大鼠即时且可逆的降压反应，该研究为开发植入式超声血压调节装置提供了材料设计参考和潜在靶点，该微型探头未来可能与无线能量传输和远程控制系统集成，实现完全无线化的植入式血压调节器。该论文发表于《Biomaterials》。