Механоактивная гидрогелевая биоэлектроника для механико-электро-биоэнергетического преобразования и нейрорегенерации с модуляцией глии

Динамические механические стимулы имеют ключевое значение для модуляции активности глии и энергетического обмена при регенерации нервной ткани, однако механизмы механотрансдукции и реакции внутриклеточных органелл глиальных клеток после нейротравмы остаются недостаточно изученными. В настоящем исследовании разработана механоактивная пьезоэлектрическая гидрогелевая биоэлектронная система — гидрогель коллагена I типа с включённым BaTiO — и изучена механотрансдукция в астроцитах и шванновских клетках. Под действием ультразвука эта пьезоэлектрическая гидрогелевая биоэлектронная система преобразует механическую стимуляцию в электрические сигналы, повышая экспрессию канала PIEZO1 в астроцитах и канала PIEZO2 в шванновских клетках. Такое механоэлектрическое преобразование усиливает поступление кальция, активирует субъединицу АТФ-синтазы и стимулирует слияние митохондрий, опосредованное MFN/OPA1. В результате повышается синтез АТФ за счёт формирования эффективной энергетической сети, выступающей центральным биоэнергетическим узлом и способствующей восстановлению нервной ткани, опосредованному глией. Кроме того, эта механоактивная пьезоэлектрическая гидрогелевая биоэлектронная система продемонстрировала терапевтическую эффективность при лечении повреждений центральной и периферической нервной системы в нескольких моделях на животных — мышах, крысах, собаках породы бигль и макаках-резус, — что свидетельствует о её широкой применимости и значительном потенциале трансляции в клиническую практику. Полученные результаты раскрывают многоуровневую механо-биологическую схему передачи энергии при восстановлении нервной ткани — механико-электро-биоэнергетическое преобразование — как перспективный клинический метод лечения.3