文献解读：基于3D碳纳米管系统的人类功能性听觉神经回路整合
2025-06-17 来源:本站 点击次数:78感音神经性耳聋治疗的核心挑战在于重建"耳蜗-大脑"神经连接，而传统模型难以模拟完整通路的光电信号传递。中国科学家利用超排布碳纳米管（SA-CNTs）支架，结合多模态光成像技术，首次在体外实现人源听觉神经回路的功能可视化。通过双光子钙成像和光遗传学激活，该研究实时捕捉到从外周神经元到中枢神经元的跨器官信号传递，为耳聋机制研究提供了革命性的光学观测平台。
此项突破由复旦大学夏明宇、李文妍团队与东南大学柴人杰团队共同完成，研究成果《基于3D碳纳米管系统的人类功能性听觉神经回路整合》发表于《Advanced Science》。
重要发现
光遗传学激活与钙成像联动验证
研究团队通过双病毒标记系统实现精准光学操控：
光激活：SGN类器官转染ChrimsonR-Scarlet光敏蛋白（激发波长590nm）
信号追踪：ACN类器官装载GCaMP6s钙指示剂（检测波长488nm）
动态捕捉：共聚焦显微镜以1.5帧/秒速率记录光刺激后钙信号传播
关键数据：光刺激触发后，ACN内ΔF/F₀信号强度提升3.2倍，证实信号跨器官传递
借助荧光蛋白标记技术揭示SA-CNTs的导向机制：
结构示踪：TUJ1-GFP标记神经元骨架，NF-H-mCherry示踪轴突走向
生长量化：多光子显微镜三维重建显示，SA-CNTs上轴突定向角度差缩小至54°（TCPS组160°）
突触可视化：共聚焦成像捕获SYP（突触前红色荧光）与PSD95（突触后绿色荧光）共定位点
活细胞动态光片成像
采用光片显微镜实现长时程无损观测：
培养系统：SA-CNTs-Matrigel3D培养体系维持器官活性
连续记录：每12小时自动扫描，捕捉类器官间神经突触延伸过程
功能验证：钙火花（calciumspark）频率在共培养组提升5倍
研究团队设计了一种具有超排布结构的碳纳米管薄膜（SA-CNTs），其特性成为突破关键：
定向引导：SEM与原子力显微镜显示，纳米管间距均匀、高度对齐，形成宽度约100纳米的沟槽拓扑结构，迫使神经元沿固定方向生长；
导电赋能：平行方向电导率显著高于垂直方向，增强神经元电信号传递效率；
生物相容性：经聚赖氨酸（PDL）改性后，支架亲水性提升，小鼠神经元存活率高达95%（TCPS仅83%），人源神经元存活率同步提升。
神经元的精准“布线”与突触形成在SA-CNTs上，外周与中枢神经元展现出前所未有的有序连接：
定向延伸：小鼠SGNs（双极神经元）与ACNs（多极神经元）的轴突生长角度范围从TCPS的160°缩小至54°，实现平行排列；
人源突触生成：共培养20天后，人源SGNs与ACNs在SA-CNTs上的轴突交叉点数量提升5.7倍（18.13vs3.19/10⁵μm²），且突触前蛋白（SYP）与后膜蛋白（PSD95）共定位证实功能性突触形成。
类器官整合：重建“人耳-大脑”信号通路
团队进一步用人胚胎源神经祖细胞构建SGN与ACN类器官，植入SA-CNTs-Matrigel3D系统：
类器官分化升级：SA-CNTs上TUJ1+成熟神经元比例达41%，较TCPS（22.8%）近乎翻倍；
光遗传学激活通路：SGN类器官表达光敏蛋白ChrimsonR，ACN类器官装载钙指示剂GCaMP6s；
590nm光刺激SGN后，ACN内钙信号强度激增（ΔF/F₀峰值显著升高），证明信号跨器官传递；
膜片钳记录到ACN的兴奋性突触后电流（EPSCs），突触传递延迟仅毫秒级。
创新与亮点
本研究的光学技术突破四大难题：
跨尺度观测：整合光遗传学（10μm精度）与钙成像（单细胞分辨率），实现从突触到器官尺度的信号追踪
动态可视化：首次实时捕捉人源听觉神经通路的电信号转化为光信号的完整过程
无损检测：光片显微技术实现72小时连续观测，避免传统电生理的取样损伤
高通量筛选：建立光学读数与神经功能的关联模型，使药物筛选效率提升15倍
光学革命：将不可见的神经电活动转化为可观测的光学信号，为耳聋治疗提供"看得见"的评估标准。
总结与展望
本研究通过多模态光成像技术，在SA-CNTs支架上首次实现人类听觉神经通路的功能可视化，证实光遗传学刺激可触发跨器官钙信号传导。该光学平台不仅为解析耳聋机制提供了动态观测窗口，更将推动精准神经修复技术的发展。未来研究将聚焦三方面：开发可植入式微型内窥镜系统用于活体神经信号监测，优化近红外二区荧光探针提升成像深度，建立人工智能辅助的光信号解析算法。
通过SA-CNTs支架成功重建了从耳蜗螺旋神经元到大脑皮层听觉神经元的功能化连接，标志着听觉神经研究进入“人工回路”新时代。该技术不仅为解析耳聋机制提供了活体模型，更可拓展至帕金森、阿尔茨海默病等神经退行性疾病研究。
未来团队将聚焦三方面突破：优化支架透明度以兼容更精密成像技术，引入中间核团神经元构建多级神经回路，以及开发可植入式碳纳米管神经修复装置。
随着该平台的临床转化，人类有望在十年内实现“定制化神经回路移植”，彻底改写神经损伤性疾病的治疗范式。
声明：本文仅用作学术目的。
文章来源于：
Lou Y, Ma J, Hu Y, Yao X, Liu Y, Wu M, Jia G, Chen Y, Chai R, Xia M, Li W. Integration of Functional Human Auditory Neural Circuits Based on a 3D Carbon Nanotube System. Adv Sci (Weinh). 2024 Aug;11(32):e2309617. doi: 10.1002/advs.202309617. Epub 2024 Jun 18. Erratum in: Adv Sci (Weinh). 2024 Dec;11(45):e2410897.
DOI:10.1002/advs.202410897.