2021，Nature Biomedical Engineering封面都研究了些什么？
奇物论
2022-01-04
过去的一年，感谢各位一直陪伴，未来一年，希望可以搭建更好的服务平台继续服务生物医学（材料）相关领域的科研工作者。一如既往，近期，奇物论编辑部将针对2021年的我们这领域的一些科研成果进行整理，供大家学习和交流。这一期，我们选了生物医学工程领域的顶级期刊Nature Biomedical Engineering的12期封面相对应的文章进行简要介绍。
1月封面展示了通过与神经元细胞骨架纤维缠结的金纳米粒子的DNA桥接手性组装体，将手性光子转导为力，进而把神经干细胞分化为神经元。圆偏振光对活细胞的生物效应被认为是微弱的。鉴于此，江南大学胥传来、匡华和密歇根大学Nicholas A. Kotov等人表明，当金纳米粒子的 DNA 桥手性组装体与细胞的细胞骨架纤维缠结时，圆偏振光子可以加速神经干细胞向神经元的分化。通过使用细胞培养实验和等离子体力计算，研究人员证明了纳米颗粒组件对细胞骨架施加圆偏振光依赖的力，以及光诱导的肌动蛋白纳米纤维的周期性机械变形，频率为 50 Hz刺激神经干细胞分化为神经元表型。当植入阿尔茨海默病小鼠模型的海马体时，按照偏振优化方案照射的神经干细胞使淀粉样斑块的形成减少了70% 以上。研究结果表明，圆偏振光可以指导生物医学用途的细胞发育。Qu,A., Sun, M., Kim, JY. et al. Stimulation of neural stem cell differentiation bycircularly polarized light transduced by chiral nanoassemblies. Nat Biomed Eng5, 103–113 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41551-020-00634-42月封面说明慢病毒共同包装 SpCas9 mRNA 和编码引导 RNA 的表达盒可以瞬时破坏靶向疾病修饰基因。治疗性基因组编辑需要有效且有靶向性的递送方法。使用腺相关病毒递送Cas9 mRNA已导致有效的体内治疗效果，但会导致持续的Cas9表达、抗Cas9免疫反应和脱靶编辑。慢病毒载体已被设计用于传递瞬时表达的核酸酶，但缺乏其生物医学功效的体内证据。鉴于此，上海交通大学蔡宇伽教授等人共递送化脓性链球菌 Cas9 mRNA 和编码靶向血管内皮生长因子 A (Vegfa) 的向导 RNA 的表达盒在 Vegfa 诱导的湿性年龄相关性黄斑变性的小鼠模型中有效。单次视网膜下注射工程化慢病毒可敲除视网膜色素上皮细胞中44%的 Vegfa，并将脉络膜新生血管面积减少 63%，而不会引起脱靶编辑或抗 Cas9 免疫反应。用于核酸酶瞬时表达的工程化慢病毒可能成为视网膜新生血管疾病新疗法的基础。Ling,S., Yang, S., Hu, X. et al. Lentiviral delivery of co-packaged Cas9 mRNA and aVegfa-targeting guide RNA prevents wet age-related macular degeneration inmice. Nat Biomed Eng 5, 144–156 (2021).https://doi.org/10.1038/s41551-020-00656-y3月封面展示了通过静脉注射微泡的超快超声定位显微镜，以显微镜分辨率对人脑深处的脉管系统进行成像。脑血流量的变化与中风、动脉瘤、血管认知障碍、神经退行性疾病和其他病理有关。通常通过计算机断层扫描或磁共振成像进行的脑血管造影仅限于毫米级分辨率，并且对血流动力学不敏感。鉴于此，研究人员展示了静脉注射微泡的超快超声定位显微镜能够以微观分辨率对成人大脑中的深部脉管系统进行经颅成像，并量化血液动力学参数。自适应散斑跟踪可校正经颅传播过程中引起的微量脑运动伪影和超声波畸变，使能够绘制缠结动脉的血管网络，以高达 25 μm 的分辨率从功能上表征血流动力学，并检测患者深部小动脉瘤中的血液漩涡。超快超声定位显微镜可能有助于了解脑血流动力学以及脑血管异常与神经病理学的关系。Demené,C., Robin, J., Dizeux, A. et al. Transcranial ultrafast ultrasound localizationmicroscopy of brain vasculature in patients. Nat Biomed Eng 5, 219–228 (2021).https://doi.org/10.1038/s41551-021-00697-x4月的封面展示了直接电刺激期间大规模大脑网络的预测动态。
直接电刺激可以调节大脑网络的活动，用于治疗几种神经和神经精神疾病以及恢复失去的功能。然而，个体的精确神经调节需要精确建模和预测刺激对其大规模脑网络活动的影响。鉴于此，研究人员报告了动态输入-输出模型的发展，该模型预测大脑网络的多区域动态，以响应持续微刺激的时间变化模式。在对两只清醒的恒河猴的实验中，发现大脑网络的活动受到刺激幅度和频率变化的调节，它们表现出阻尼和振荡反应动力学，预测准确度和估计的反应强度在大脑各区域的变化可以通过在没有刺激的情况下计算的静息功能连通性度量来解释。脑动力学的输入-输出模型可以实现疾病治疗的精确神经调节，并有助于研究大规模脑网络的功能组织。Yang,Y., Qiao, S., Sani, O.G. et al. Modelling and prediction of the dynamicresponses of large-scale brain networks during direct electrical stimulation.Nat Biomed Eng 5, 324–345 (2021).https://doi.org/10.1038/s41551-020-00666-w5月封面展示了聚合STING 激动剂可以通过形成凝聚物延长先天免疫通路的激活。具有pH响应功能的材料可以通过感知机体微环境作出响应，作为诊断试剂或治疗药物的递送载体而备受关注，然而材料自身的生物学性质往往被忽略。德克萨斯大学西南医学中心高金明教授课题组另辟蹊径，报道了一种具有pH超敏性能的的高分子聚合物免疫激动剂，能够响应微酸性环境进入免疫细胞的细胞质中，通过与细胞内的STING蛋白多价结合发生相转变过程，促使STING形成凝聚体(biomolecular condensate)，从而更高效地招募并激活下游蛋白，并表现出异于小分子激动剂的临床适用范围及长效免疫活化作用Li,S., Luo, M., Wang, Z. et al. Prolonged activation of innate immune pathways bya polyvalent STING agonist. Nat Biomed Eng 5, 455–466 (2021).https://doi.org/10.1038/s41551-020-00675-96月封面展示了一个自动深度学习管道，用于从胸部 X 光片中识别和区分病毒性、非病毒性和新冠肺炎。该研究由中山大学、北京邮电大学、清华大学、澳门科技大学、四川大学、安徽医科大学、三峡大学、广州市再生医学卫生广东省实验室、南京大学、南方医科大学等24家国内外大学及医院协作，由孙逸仙纪念医院林天歆教授团队与北京邮电大学王光宇教授团队、澳门科技大学张康教授团队牵头合作完成。Wang,G., Liu, X., Shen, J. et al. A deep-learning pipeline for the diagnosis anddiscrimination of viral, non-viral and COVID-19 pneumonia from chest X-rayimages. Nat Biomed Eng 5, 509–521 (2021).https://doi.org/10.1038/s41551-021-00704-17月封面展示了一个原型超声波相控阵，用于监测深层组织中的血流
用于连续监测来自深层组织的生理信号的可拉伸可穿戴设备受到信号穿透深度和解析来自特定组织的信号的困难的限制。于此，加州大学圣地亚哥分校徐升教授等人报告了原型皮肤共形超声相控阵的开发和测试，用于监测来自皮下 14 cm 组织的血流动力学信号。该设备允许在一定的入射角范围内主动聚焦和控制超声波束，以便瞄准感兴趣的区域。在健康志愿者中，试验表明相控阵可用于监测心脏组织的多普勒频谱、记录中心血流波形并实时估计脑血供。可拉伸和共形的皮肤佩戴超声相控阵可能为可穿戴诊断开辟了机会。Wang,C., Qi, B., Lin, M. et al. Continuous monitoring of deep-tissue haemodynamicswith stretchable ultrasonic phased arrays. Nat Biomed Eng 5, 749–758 (2021).https://doi.org/10.1038/s41551-021-00763-48月封面展示了一个具有功能性血脑屏障的神经血管单元芯片，用于重现引起真菌性脑膜炎的最常见病原体的神经趋向性。神经血管单元由被星形胶质细胞末端足和神经元包围的血管细胞组成，控制脑血流和血脑屏障 (BBB) 的通透性，以维持神经元环境的稳态。研究某些病原体和药物如何穿透人体 BBB并破坏神经元稳态需要神经血管单元的体外微生理模型。于此，延世大学Seung-Woo Cho等人展示了新型隐球菌（引起真菌性脑膜炎的最常见病原体）的神经趋向性及其穿透 BBB 的能力可以通过逐步重力驱动的单向流维持的人神经血管单元芯片来模拟。研究发现病原体形成细胞簇，在不改变紧密连接的情况下穿透 BBB，表明存在转胞吞作用介导的机制。神经血管单元芯片可能有助于研究病原体感染大脑的机制，以及开发治疗一系列大脑疾病的药物。Kim,J., Lee, KT., Lee, J.S. et al. Fungal brain infection modelled in ahuman-neurovascular-unit-on-a-chip with a functional blood–brain barrier. NatBiomed Eng 5, 830–846 (2021).https://doi.org/10.1038/s41551-021-00743-89月封面展示了携带位点 1 钠通道阻断剂的自组装纳米纤维，旨在模拟阻断剂与电压门控钠通道上的肽序列的特定相互作用，导致大鼠神经阻断延长，降低全身毒性。位点 1 钠通道阻断剂 (S1SCB) 如河豚毒素和蛤蜊毒素作为局部麻醉剂很有吸引力，因为它们具有很强的效力，而且它们不会引起传统氨基酰胺和氨基酯局部麻醉剂所见的局部神经毒性和肌肉毒性。然而，它们的全身毒性可能很严重，而且它们的治疗指数很窄。于此，哈佛医学院Daniel S. Kohane等研究人员通过模仿人体自身的药物受体，成功地安全地输送缓释河豚毒素。即通过模拟它们与钠通道相互作用的自组装超分子系统，用于递送局部麻醉剂。该团队用疏水分子的长链修饰了钠通道上的两个肽序列 P1 和P2，这导致由此产生的分子将自身组装成纳米纤维结构。在被修饰以形成载体结构后，这些肽将自己排列成对来抓取药物。河豚毒素慢慢从载体上松开，与天然受体上的肽结合。在大鼠坐骨神经注射携带 S1SCB 的纳米纤维可延长神经阻滞并降低全身毒性，并伴有良性局部组织反应。通过超分子相互作用模拟分子结合位点的策略可能更广泛地适用于受体介导药物的给药系统设计。Ji,T., Li, Y., Deng, X. et al. Delivery of local anaesthetics by a self-assembledsupramolecular system mimicking their interactions with a sodium channel. NatBiomed Eng 5, 1099–1109 (2021).https://doi.org/10.1038/s41551-021-00793-y10月封面展示了包含无线操作纱布的外科缝合线，用于监测深部手术部位。
术后并发症，如出血、裂开（伤口裂开或破裂）、渗漏和深部手术伤口引起的感染，需要及早发现，尤其是患者出院后。目前，医生和患者只能依赖于可见的外部体征，如皮肤变色和体温。然而，这些症状通常只有在并发症变得严重时才明显。新加坡国立大学JohnS. Ho、Viveka Kalidasan、Ze Xong等人展示了用导电聚合物功能化的复丝手术缝合线，并结合了通过射频识别操作的电容传感器的脱脂棉，以检测手术部位的相关生理参数。在活猪身上表明，缝合线可以监测伤口完整性、胃渗漏和组织微动，在啮齿类动物中，愈合结果与医疗级缝合线相同。无电池无线操作的生物电子缝合线可以促进广泛干预中的术后监测。Kalidasan,V., Yang, X., Xiong, Z. et al. Wirelessly operated bioelectronic sutures forthe monitoring of deep surgical wounds. Nat Biomed Eng 5, 1217–1227 (2021).https://doi.org/10.1038/s41551-021-00802-011月封面展示了当聚焦超声脉冲局部产生热量时，T细胞可以被工程化，在肿瘤内表达嵌合抗原受体。聚焦超声（FUS）可以安全且无创地将能量输送到厘米深的组织中。 鉴于此，加州大学圣地亚哥分校Yingxiao Wang、Shu Chien等人设计了一类诱导型肿瘤内嵌合抗原受体T细胞（CAR-T细胞），它们可以在没有任何外源性辅因子的情况下由 FUS进行声遗传学和直接控制。研究表明，肿瘤内嵌合抗原受体T细胞（CAR-T细胞）的遗传学和细胞功能可由短脉冲聚焦超声产生的热量可逆控制，该热量通过CAR盒在热休克蛋白启动子的控制下产生。在皮下肿瘤小鼠中，与非诱导型CAR-T细胞相比，局部注射诱导型CAR并在磁共振成像引导下通过聚焦超声激活的T细胞可减轻靶向肿瘤外活动，并增强对肿瘤生长的抑制。工程化 T 细胞活化的声学控制可能有助于设计更安全的细胞疗法。Wu,Y., Liu, Y., Huang, Z. et al. Control of the activity of CAR-T cells withintumours via focused ultrasound. Nat Biomed Eng 5, 1336–1347 (2021).https://doi.org/10.1038/s41551-021-00779-w12月封面展示了在收缩的心肌细胞中，表观遗传标记的染色质优先积聚在细胞核的外围。在心血管组织中，细胞外基质机械特性的变化与细胞去分化和随后的功能下降有关。然而，潜在的机械感受机制在很大程度上尚不清楚。鉴于此，科罗拉多大学Corey P. Neu等人通过在体外收缩期间生成心肌细胞核的高分辨率、全场应变图，并辅以来自心肌病患者和心脏功能下降小鼠组织的证据，表明心肌细胞在成熟过程中建立了独特的核组织，其特征是 H3K9me3 标记的染色质向核边界重组。研究结果表明，通过整合环境机械信号，心肌细胞的细胞核通过表观遗传标记染色质的重组来引导和稳定细胞的命运。Seelbinder,B., Ghosh, S., Schneider, S.E. et al. Nuclear deformation guides chromatinreorganization in cardiac development and disease. Nat Biomed Eng 5, 1500–1516(2021).https://doi.org/10.1038/s41551-021-00823-9
