南京理工大学研究生，南京理工大学研究生院
由交通事故、自然灾害、战争、疾病并发症、极限运动事故等造成的外周神经损伤 常导致运动障碍甚至瘫痪。全球数千万人遭受外周神经损伤的折磨，仅在美国，每年就有约600万人受到影响。除了庞大的患者数量，外周神经损伤还会产导致巨大的社会经济负担。例如，2021年美国用于外周神经损伤的医疗支出为281.3亿美元，预计到2050年将增至603.2亿美元。虽然外周 神经损伤后可以自发修复，但是神经组织有限的再生能力和 对生长微环境的严格要求，都严重制约了其再生效果，特别是对长节段周围神经缺损（大于5毫米）。此外， 外周 神经具有神经向性，即缺乏或无方向的引导都会导致 外周 神经再生不完全，神经瘤的形成，甚至再生失败。传统的外科手术方法，如神经修补术、自体神经移植和异体神经移植，受到有害的神经张力、供体有限、供体部位功能障碍和不良免疫反应的限制。药物治疗和结构未修饰神经支架分别因药物半衰期低和牵引效果不佳而失败。考虑到在自然外周神经再生过程中有许多物理线索调节甚至决定再生效果，如外周神经损伤诱导的生物电场可将修复相关细胞向病灶区募集参与神经重建，以及在基底管内自发形成的纵向细胞链（宾格内氏带）可引导轴突再生。近年来，基于物理线索的治疗方法由于其独特的可激活细胞、介导神经信号通路的调节(与神经修复许可相关)和生长牵引，在外周神经损伤的治疗中显示出巨大的优势和应用前景。基于物理线索的策略优势在于通过改变与再生相关的细胞命运/行为和再生微环境以可控和长期可持续的方式原位重建损伤神经。
南京理工大学冯章启/东南大学王婷团队近年专注于外周神经损伤的修复与再生研究，相继开发了多种功能性生物电子材料和微纳米器件，实现了对外周神经缺损处的生理自适应电刺激，使神经再生水平接近于临床自体移植，为长节段外周神经缺损的修复提供了生物电子学方法。研究成果近年相继发表在《自然·通讯》（Nature Communications, 2022, 13, 5302）、《先进功能材料》（Advanced Functional Materials, 2022, 2209658）、《纳米能源》（Nano Energy, 2022, 94, 106933）、《科学·进展》（Science Advances, 2021, 7: eabh2350）、《先进材料》（Advanced Materials, 2021, 33, 2104175; Advanced Materials 2021, 33, 2006093；）、《微纳米技术》（Small, 2021, 17, 2102550）等上。
近日，南京理工大学冯章启/东南大学王婷团队在《Advanced Functional Materials》期刊在线发表“Physical Cue-Based Strategies on Peripheral Nerve Regeneration”为题的综述文章（DOI: 10.1002/adfm.202209658）。论文综述了基于物理线索的外周神经损伤治疗策略的最新进展，包括电、声、磁和形貌（图1）。论文首先总结了基于物理线索的策略促进外周神经再生过程的生理机制。然后，系统概述了基于物理线索策略的设备架构和影响因素，重点介绍了基于物理线索的策略概念和治疗效果，并对具有代表性的研究进行了优缺点分析。最后，强调了基于物理线索的策略在未来可能面临的挑战，特别是在临床和商业转化方面，并展望了其实现高效和广泛接受的外周神经再生的前景。论文第一作者为南京理工大学博士生魏志东，通讯作者为南京理工大学冯章启教授和东南大学王婷副教授。
图1. 基于物理线索的外周神经损伤治疗策略。
1. 基于物理线索的策略促进外周神经再生的机制。
1.1 外周神经损伤后自然再生机制。
不同于中枢神经系统，外周神经在损伤后可以自我修复。外周神经损伤后，远端损伤神经残端会触发一系列复杂的细胞和分子事件，导致该部分渐进式变性(称为Waller变性)。在这个过程之后，去分化的雪旺细胞开始增殖，并沿着受损神经的主轴迁移，形成纵向的细胞链，称为宾格内氏带。众多的宾格内氏带与它们的细胞外基质构成数百个微通道，共同发挥协同作用引导轴突再生，同时防止轴突在基底管内折叠弯曲。这种微结构作为一种天然的生命支架，对于失支配神经残肢的神经再重建是必不可少的。此外，这些雪旺细胞还能产生和释放神经营养因子，为轴突再生创造合适的微环境。注意，这些神经营养因子是一种由身体产生的蛋白质，参与调节神经细胞的生存、生长和分化，对外周神经再生进程至关重要。内源性神经营养因子的缺乏是神经再生障碍和功能恢复不佳的主要原因。当轴突完全再生后，雪旺细胞与轴突再次接触，开始重新分化为有髓鞘的雪旺细胞，形成有髓鞘的轴突（图2）。
图2. a)损伤外周神经的自然再生过程。b)受自然外周神经再生过程启发的基于物理线索的外周神经治疗策略。
1.2 电刺激促进外周神经再生的机制。
内源性电，又称生物电，与生理活动密切相关，如思维、心脏冲动和肌肉收缩。大脑、脊髓和外周神经是神经系统的三个部分，它们通过生物电依次传递指令和接受反馈。除了维持正常的生理功能外，内源性生物电对病理进程也有显著的影响。例如，在皮肤损伤后，由于离子转运过程，上皮受损部位会产生自发电场，以扩大细胞直径，促进伤口愈合。在此基础上，外源性电刺激作为一种新型生物技术被开发出来，用于促进外周神经再生。电刺激促进外周神经再生是一个涉及众多因素的极其复杂的过程。在此，这篇文章从以下两个方面总结了其促进机制:
①对细胞行为和再生微环境的影响。
受再生相关细胞在内生电场的驱动下趋向神经损伤部位启发，大多数神经刺激器通过在损伤神经的两端放置两个刺激电极，在损伤部位形成一个内置电场，通常阳极电极放置在近端，阴极电极放置在远端。再生相关因子，如神经生长因子、受体和层粘连蛋白，将在内置电场的作用下极化和电泳转移到阴极。随后，在神经缺口中产生的沿纵向的再生相关因子浓度梯度可导致神经生长锥朝向阴极方向，促进外周神经再生进程。此外，内置电场还可以加速轴浆的流动，促进神经元胞体合成的蛋白质运输到神经末梢，从而加速细胞的增殖和生长。
②对细胞功能调控和命运决定的影响。
胞内Ca2+波沿轴突向神经元胞体传播，在轴突再生过程中起着至关重要的作用。它是通过改变神经元的膜电位来激活电压门控Ca2+通道，引起Ca2+内流。在神经元体中，集聚的Ca2+会激起一系列的生理响应促进cAMP的分泌。随后，cAMP的增加可进一步上调修复许可相关基因的表达水平，如Tα1微管蛋白和生长相关蛋白-43的表达水平，以增强细胞骨架组装，从而促进轴突萌发，防止生长锥崩溃。此外，电刺激已被证明可以使炎症因子偏向于转变成抗炎巨噬细胞表型，以缓解炎症微环境。这种现象被认为是BDNF表达增加的结果（图3a）。
图3. 基于物理线索的策略促进外周神经再生的原理。
1.3 超声辐射促进外周神经再生的机制。
在外周神经再生领域中，超声波特指低强度超声波，其本质是高低压区交替的机械振动波。被广泛认可的超声波促进外周神经再生机制是振荡压力波作用于细胞膜脂质双分子层，即双分子层声纳(BLS)理论。机械震荡波可以打开细胞膜通道或通过空化效应引起膜穿孔从而促进一系列的细胞生理变化，促进外周神经再生（图3b）。
1.4 磁刺激促进外周神经再生的机制。
生物体具有磁场，称为生物磁场，主要来自于内源性生物电，如神经脉冲的传递和体内电子的迁移，或内部具有磁性的物质(如肝脏和脾脏)与地球磁场的耦合。低强度的脉冲磁场通过耦合生物磁场在组织中诱导微电流，导致膜表面蛋白质分子发生电泳，从而改变其电荷分布和生物活性（图3c）。
1.5 形貌诱导外周神经再生机制。
在以往的研究中发现，模拟自然外周神经再生中宾格内氏带的对齐结构对细胞的形状和极性有深远的影响，称为接触引导。细胞对形态学介导的物理引导的反应可归因于细胞骨架和信号通路的变化，这些变化通常被认为与整合素粘附分子密切相关，而整合素粘附分子是神经元迁移和轴突生长的重要蛋白质（图3d）。
2. 基于电线索的策略用于外周神经再生。
内源性电，又称生物电，与生理活动密切相关，如思维、心脏冲动和肌肉收缩。大脑、脊髓和末梢神经是神经系统的三个部分，它们通过生物电依次传递指令和接受反馈。除了维持正常的生理过程外，内源性电对病理状态也有显著的影响。例如，在皮肤损伤后，离子转运上皮受损部位会产生自发电场，以扩大细胞直径，促进伤口愈合。在此基础上，外源性电刺激作为一种新的生物技术被开发出来，以促进组织再生和调控病理状态。在本章中，作者从四个方面详细总结了应用电刺激的典型策略:导电支架（图4）、经皮电刺激系统、植入式电刺激系统（图5-7）和无线电刺激系统（图8）。
图4. 用于外周神经再生的导电神经支架。
图5. 植入式电刺激系统优缺点的对比。
图6. 用于外周神经再生的典型的生物燃料电池。
图7. 用于外周神经再生的自发电电刺激系统。
图8. 用于外周神经再生的无线电刺激系统。
3. 基于声线索的策略用于外周神经再生。
声，以治疗性超声为主，由于其安全可靠、穿透深度高、空间分辨率高、携带方便等优点，在疾病的诊断和治疗中得到了广泛应用。鉴于超声波在临床医学中的广泛应用，如超声波扫描术、超声波理疗、超声波手术刀等，采用低强度脉冲超声波进行外周神经再生是一种可行和合理的选择。同时，超声波设备操作简单、价格低廉、携带方便，未来有潜力实现真正意义上的家庭式医疗（图9a-c）。
4. 基于磁线索的策略用于外周神经再生。
脉冲电磁场刺激通过耦合体内生物磁场产生微电流，改变细胞膜通透性，增加可兴奋细胞活性，具有镇痛、镇静、抗炎等作用。最近，它被广泛用于外周神经损伤的治疗，被认为是实现无创神经刺激和将患者从专业、笨重设备中解放出来的关键（图9d）。
图9. 基于声和磁的策略用于外周神经再生。
5. 基于形貌线索的策略用于外周神经再生。
形态学是自然界中最独特、最具启发性的客观存在，特殊的形态学特征通常包含着一系列的生物学/物理学原理。例如，水稻叶片表面微突起的各向异性排列可以引导雨水的流向，神经束膜和神经外膜横向排列有利于血管环绕神经束，保证单根神经有足够的营养供应。形貌在外周神经再生过程中也起着不可或缺的作用。一方面，新生的轴突可以到达运动终端而不是形成神经内疤痕组织是因为宾格内氏带的牵引。另一方面，神经内膜是纵向的，这将促进有髓神经轴突的生长。受自然的启发，对特异性形貌的研究启发了新型神经支架的构建，为外周神经再生策略的发展注入了活力。在本章中，作者总结了四种典型的基于形貌线索的策略包括定向纤维、各向异性微槽、填充和多通道（图10）。
图10. 基于形貌索引的策略用于外周神经再生。
6. 总结和展望。
基于物理线索的策略，包括外源性电刺激、超声和磁干预、形貌引导，对于细胞调控、构建允许修复和生长牵引的微环境是非常有效的，这对促进外周神经再生进展至关重要。值得注意的是，生物燃料电池、自供电压电材料、无线电力传输以及经皮超声波和脉冲磁场等最先进的技术已被用于实现植入式和无线神经调控。此外，采用先进材料和特殊加工技术制造仿生和多功能神经支架，为构建多神经刺激系统提供了良好的起点。综上所述，基于物理线索的策略在外周神经再生领域具有良好的应用前景。然而，其临床和商业转型仍面临挑战:
①尽管现成的电神经刺激器在现实世界的应用已经被广泛接受，但治疗窗口通常被限制在术中单次治疗，从而常导致不尽如人意的治疗效果。此外，导电神经支架和经皮电刺激系统效率相对较低，其穿透电极存在感染风险，严重限制了其临床应用。新兴的可植入电刺激系统和无线电力传输技术解决了供电的挑战，但这些技术仍处于初级阶段，面临着许多问题，如运行不稳定、不可持续和高侵入性。利用微机电系统技术制备微型化、生物可降解的无线电源接收器是未来的发展方向。
②基于低强度脉冲超声波的策略具有非侵入性、高穿透深度和高空间分辨率等特点，有望实现所追求的无线神经调节，而振荡压力波诱导的低效细胞激活无法实现极好的治疗效果。此外，由于超声诱导的热效应可能造成潜在的有害副作用，如烫伤和皮肤炎症。设计和制造高度集成和可拉伸的超声相控阵可以降低工作功率，从而避免加热效应，并将超声辐射集中到更局部的区域以提高其效率。
③由于脉冲电磁场能在空气中有效传播，这与超声波本质不同，因此脉冲电磁场刺激将患者从有线设备中解放出来。但由于其辐射范围较广，无法进行靶向治疗，容易产生影响代谢过程等有害的脱靶效应。同时，单独使用脉冲电磁场的治疗效果有限。因此，设计一种辐射范围可控的脉冲电磁场发生器或将其与磁性纳米颗粒结合，构建混合磁电刺激系统是很有前途的研究方向。
④各向异性形貌对外周神经再生具有良好的牵引作用，尤其对长节段外周神经损伤。虽然多种形貌修饰的支架已经被提出并取得了良好的治疗效果，但其普遍适用性仍较低。此外，为不同患者和病变部位定制神经支架导致昂贵的制造成本是其商业可扩展性的一个重要障碍。应利用3D打印等新兴制造技术制造高可塑性、高牵引效率的神经引导支架。
尽管如前所述，基于物理线索策略的临床可转换性存在各种不利的限制，但作为生物医学工程中最有前途的热点技术之一，这一有趣的领域包含了大量的机会。通过广泛的跨学科合作研究，设计和制造适合临床场景的生物认证、集成和小型化设备，可以预见，基于物理线索的策略将取得卓越的治疗效果，不仅在外周神经再生领域，而且在其他生物医学应用中普遍适用。综上所述，作者对其今后的发展提出了看法:
①单一的电、声、磁和形貌线索，在组织再生和功能恢复的长期和极其复杂的过程中无法实现完美的神经再生。构建结合多种物理线索的跨域集成系统，例如，临床个性化和可控的电刺激、超声和磁刺激结合微结构修饰的神经支架，具有实现理想神经再生的潜力。
②设计基于智能物理线索的设备架构，实现闭环外周神经刺激。外周神经元作为传递生理电信号的一部分，本质上处于间歇性激活或静息状态。因此，持续激活可能导致神经刺激惰性。将在体神经信号记录芯片和无线双向传输模块与外部信号采集和控制软件集成，实现外周神经按需刺激，具有广阔的应用前景。
③事实上，基于物理线索的策略在实验室研究中已经取得了相当好的治疗效果。因此，以临床应用为指导，对现有技术进行升级，促进其在病房实际应用的进程，是一切努力的目的。
该工作得到了国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金项目、江苏省优秀博士后培养计划项目和中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。
来源：高分子科学前沿
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