南方科技大學《自然·通訊》：新型組織粘合水凝膠光纖

光遺傳學技術通過基因編碼的光敏離子通道，實現(xiàn)了對特定神經群落的毫秒級精準操控，為神經回路研究和治療干預開辟了廣闊前景。然而，當這項技術應用于動態(tài)運動的內部器官（如心臟、胰腺或腸道）時，面臨著一個根本性挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)石英或聚合物光纖與柔軟組織之間存在嚴重的力學失配（楊氏模量相差約4-5個數量級）。在呼吸、蠕動等生理運動導致的周期性形變（如胰腺約30%應變）下，剛性光纖會發(fā)生界面脫耦、慢性炎癥和空間定位偏移，導致光照射偏離目標靶點。雖然水凝膠光纖因其類組織柔軟性和含水量而成為有前景的替代方案，但現(xiàn)有策略仍受限于運動誘導的光學去耦——生理形變破壞共形整合，降低動態(tài)環(huán)境下的光傳輸效率。因此，理想的外周光遺傳光纖需要同時具備抗應變光約束能力、持久濕組織粘附性和三維共形貼合能力，而這三 者的兼具一直是領域內的重大技術瓶頸。

為攻克上述挑戰(zhàn)，南方科技大學劉吉副教授、深圳理工大學魯藝研究員和美國伊利諾伊大學香檳分校余存江教授?合作，開發(fā)了一種組織粘合水凝膠光纖（TAHOF）。該光纖集成了聚甲基丙烯酸羥乙酯（PHEMA）導光核心（折射率1.429±0.004）和生物粘附性包層（折射率1.343±0.002），通過折射率差（Δn=0.087）實現(xiàn)高效光約束，同時提供11.5±1.8 kPa的組織粘附強度。TAHOF實現(xiàn)了0.534±0.092 dB/cm的低傳播損耗，并在30%拉伸應變下保持69%以上的光傳輸效率和空間靶向精度。在自由活動的ChAT-ChR2轉基因小鼠胰腺植入實驗中，TAHOF實現(xiàn)了精確的迷走神經纖維激活，有效觸發(fā)胰島素分泌。與皮下連續(xù)血糖監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)用，TAHOF在糖尿病模型中實現(xiàn)了為期3天的血糖穩(wěn)定調控。慢性植入實驗進一步證實，TAHOF能在胰腺表面維持穩(wěn)定體內粘附并保持光遺傳功能長達14天。相關論文以“Tissue-adhesive hydrogel optical fiber for peripheral optogenetic neuromodulation”為題，發(fā)表在Nature Communications上。

圖1. 用于外周光遺傳調控胰腺迷走神經支配的組織粘合水凝膠光纖（TAHOF）。a TAHOF植入用于向胰腺迷走神經遞送光以實現(xiàn)光遺傳血糖調節(jié)的示意圖。插圖：TAHOF結構，包括光學水凝膠核心和與胰腺組織形成穩(wěn)健生物界面以實現(xiàn)穩(wěn)定光照的組織粘合包層。b TAHOF在約90°彎曲形變下貼附于豬皮膚的光傳輸圖像，以無包層聚甲基丙烯酸羥乙酯（PHEMA）光纖（HOF）作為對照。比例尺：10 mm。c 通過TAHOF光遺傳激活表達ChR2的膽堿能迷走纖維，觸發(fā)迷走神經末梢和胰內神經節(jié)的乙酰膽堿（ACh）釋放，刺激β細胞分泌胰島素。d TAHOF遞送光刺激介導的血糖調節(jié)示意圖。（a）中的器官示意圖改編自NIH/NIDDK媒體庫。

光纖設計與性能表征

TAHOF采用模板聚合法分步制備：先通過紫外光聚合在硅膠模具中形成PHEMA水凝膠核心（直徑550 μm），再在預干燥的核心外圍包覆聚丙烯酸/聚乙烯醇（PAA-PVA）雙網絡粘附包層（厚度50 μm）。這種階躍折射率架構通過全內反射實現(xiàn)高效光約束（圖2a-c）。研究團隊首先對光纖的光學性能進行了系統(tǒng)表征。在空氣中采用截斷法測量，TAHOF在470 nm波長下的傳播損耗為0.534±0.092 dB/cm。雖然無包層的核心光纖在空氣中的損耗略低（0.456±0.069 dB/cm），但當光纖植入具有更高折射率（1.33-1.51）的生物組織時，低折射率包層對于抑制光泄露至關重要（圖2d）。實驗表明，在豬皮膚組織表面，TAHOF在6 cm長度上可傳輸空氣中70.4±9.7%的光強，而裸芯光纖僅能傳輸21.9±6.2%，提升達3.3倍。值得注意的是，隨著波長從470 nm增加至644 nm，光衰減從0.534±0.092 dB/cm降至0.452±0.067 dB/cm，顯示出該波導與長波長光的兼容性。

力學與粘附性能

為驗證光纖在生理動態(tài)環(huán)境下的可靠性，研究人員對TAHOF進行了系統(tǒng)的力學測試。模擬內臟器官在生理運動中的形變范圍（10%至60%拉伸應變），TAHOF展現(xiàn)出優(yōu)異的力學和光學韌性：在30%應變下（代表內臟器官的生理形變極限），仍保持69.2±11.0%的歸一化光輸出（圖2e-f）。相比之下，傳統(tǒng)石英光纖在約1%應變下即發(fā)生斷裂，PDMS光纖則在約20%應變下失效。在10,000次循環(huán)加載測試后，歸一化傳輸強度仍保持在初始值的95%以上，光衰減僅從6.1±0.84 dB變化至5.6±0.86 dB（圖2g）。力學測試顯示光纖楊氏模量為428±117 kPa，與肌肉（約100 kPa）和胰腺（約5 kPa）等軟組織力學匹配良好，抗拉強度達445±64 kPa，可拉伸性達176±24%，有效規(guī)避了傳統(tǒng)剛性植入物引發(fā)的慢性炎癥風險。

TAHOF的核心創(chuàng)新在于兼具光學功能和粘附功能。采用PAA-PVA粘附包層，通過氫鍵和靜電相互作用實現(xiàn)組織粘附（圖2h）。在豬皮膚上的搭接剪切測試顯示，粘附強度達11.5±1.8 kPa，超過商用纖維蛋白膠（≤5 kPa），即使在PBS中水合48小時后仍保持6.1±1.2 kPa（圖2i）。在模擬生理運動的10,000次30%應變循環(huán)后，界面粘附完整性維持在70%以上（圖2j）。得益于PAA與PVA在核-包層界面的互穿網絡結構，界面韌性提升了3.6倍。這一集成設計有效消除了非粘附水凝膠光纖在動態(tài)條件下常見的靶點偏移問題。

圖2. TAHOF的光學和組織粘附特性。a 核心-包層結構示意圖，包括PHEMA核心和PAA-PVA組織粘合包層。階躍折射率配置確保全內反射，最大限度減少生物環(huán)境中的光泄露，同時包層實現(xiàn)穩(wěn)健的生物粘附以保障穩(wěn)定光傳輸。b-c 光纖橫截面熒光圖像，F(xiàn)ITC標記的粘合包層突出顯示核心-包層結構。比例尺：200 μm。d PHEMA核心和組織粘合水凝膠包層的折射率測量值。e TAHOF在拉伸應變（0%、30%、60%）下的光傳播，遠端由透明膠帶固定。比例尺：10 mm。f 歸一化光傳輸強度與拉伸應變的關系。插圖：生物器官和組織的代表性應變范圍。g 循環(huán)拉伸加載（30%應變）在0、3,000和10,000次循環(huán)時的光衰減曲線（光纖尺寸：長度5 cm，直徑650 μm）。h 組織-TAHOF接頭在30%應變下貼附于豬組織的共形形變。比例尺：10 mm。i 包層與豬皮膚在PBS中48小時內的粘附強度（搭接剪切測試）。插圖：TAHOF與豬組織之間粘附界面的穩(wěn)定性。比例尺：5 mm。j 10,000次彎曲循環(huán)（30%應變）后的粘附強度。光纖尺寸：長度5 cm，直徑650 μm。（d、f、g、i、j）中數據為均值±SD（n=5個獨立實驗樣本）。統(tǒng)計學顯著性由單因素方差分析確定；p>0.05視為不顯著。

生物力學整合與應變適應性光傳輸

為定量評估TAHOF在力學變形下維持靶向照明的能力，研究團隊建立了三維有限元分析模型，模擬呼吸、蠕動和肌肉收縮等生理運動（圖3a）。模型將TAHOF植入類肌肉組織（楊氏模量0.12 MPa），光纖尺寸為直徑650 μm、長度20 mm。有限元分析顯示，TAHOF在2 mm橫向組織形變下光纖尖端偏移量小于0.1%，而非粘附水凝膠光纖出現(xiàn)0.48 mm（即24%）的偏差，剛性光纖偏移更超過60%（圖3b-c）。這種出色的位置保真度源于粘附包層實現(xiàn)的同步組織-光纖運動。同時，粘附包層的應變適應能力將界面von Mises應力較石英光纖降低了8倍。波長依賴的衰減譜還揭示了器官特異性的設計要求：在470 nm光照下，肌肉組織每毫米損失約70%光強，而胰腺組織每毫米僅損失約20%（圖3d），模擬結果顯示光照在胰腺組織中具有良好的空間分布特性（圖3e）。

實驗驗證中，TAHOF被貼附于C57BL/6J小鼠皮下組織進行體內光傳輸觀察。在30%拉伸應變下，TAHOF實現(xiàn)了運動適應性光傳輸，形變期間強度損失小于30%，松弛后完全恢復，與體外數據一致。而無包層對照光纖在5 mm位移下即發(fā)生完全光學去耦。研究人員進一步采用9.4 T高場MRI對胰腺植入后長達14天的位置穩(wěn)定性進行縱向追蹤（圖3f）。結果顯示，TAHOF和對照無粘附光纖在植入第1天均正確定位，但對照組在第3天即出現(xiàn)明顯位移，至第14天已向鄰近區(qū)域（如腎臟）遷移；而TAHOF始終穩(wěn)固錨定于植入部位，與胰腺保持緊密接觸（圖3g）。尸檢進一步證實TAHOF與胰腺表面的持久粘附。光傳輸性能方面，植入后第3天降至植入前基線（定義為100%）的79.2±7.1%，第14天為58.3±14.1%，呈現(xiàn)漸進衰減而非突發(fā)失效（圖3h）。

圖3. TAHOF在動態(tài)形變組織中實現(xiàn)靶向光照明。a 有限元分析模型模擬TAHOF植入生物組織并承受生理位移（最高2 mm），模擬呼吸、蠕動或器官形變。b 石英、聚碳酸酯（PC）、無粘合包層水凝膠光纖（HOF）和TAHOF在2 mm位移下植入組織的位移量級分布。c 植入光纖（石英、PC、HOF、TAHOF）相對于組織運動（0-2 mm）的位移。d 基于各組織吸收系數的470 nm光在脂肪、皮膚、胰腺和肌肉組織中的模擬光衰減（脂肪：0.04 mm?1；皮膚：0.18 mm?1；胰腺：0.09 mm?1；肌肉：0.5 mm?1）。e 470 nm光在胰腺組織中距發(fā)射點1 mm和2 mm處的模擬空間分布。f TAHOF在小鼠胰腺上植入及通過MRI縱向體內追蹤的示意圖。g 代表性MRI圖像（第1天、第3天、第14天），顯示TAHOF（紅色箭頭）相對于胰腺（黃色箭頭；虛線輪廓）的穩(wěn)定定位，胃由黑色箭頭指示；HOF作為對照。h 皮下植入3、7、10和14天后回收的TAHOF的相對光傳輸。（h）中數據為均值±SD（n=5個獨立實驗樣本）。（f）和（h）中的小鼠模型示意圖使用BioRender繪制。

迷走神經-胰腺軸的神經調控

迷走神經是大腦與胰腺等內臟器官之間的關鍵雙向通道，其傳出膽堿能纖維釋放乙酰膽堿調控靶器官功能。研究團隊通過將ChAT-Cre小鼠與Ai27D報告小鼠雜交，構建了ChAT-ChR2轉基因小鼠，使胰腺投射的膽堿能迷走神經元特異性表達藍光敏感通道ChR2。TAHOF被植入胰腺附近，利用粘附包層實現(xiàn)免縫合放置（圖4a），并配合附近袖帶電極記錄局部場電位（圖4b）。470 nm（20 Hz，5 ms脈沖）的光刺激產生了穩(wěn)健的、時間鎖定的20 Hz神經響應，刺激期間局部場電位功率穩(wěn)步增加（圖4c）。對照組（ChR2陰性小鼠接受藍光刺激，或ChAT-ChR2小鼠接受黃光刺激）均未觀察到時間鎖定響應，證實記錄信號來自ChR2依賴性神經激活而非光或光電偽影。

考慮到迷走神經對運動和心血管功能的廣泛影響，研究團隊評估了選擇性刺激胰腺分支是否改變運動行為或心率。曠場實驗顯示，假手術組、未刺激組和刺激組之間的運動活動無顯著差異（p=0.248）（圖4d-f），刺激期間心率保持穩(wěn)定（約300 bpm）。組織學和免疫學分析證實了良好的生物相容性：光刺激3天后主要器官未見壞死或炎癥，14天植入期內TAHOF周圍纖維包囊形成極少。TAHOF植入組織中CD68+巨噬細胞浸潤（6.1±1.1%）與假手術對照組（7.8±3.7%，p=0.356）相當，進一步支持TAHOF在生理研究和治療應用中的適用性。

血糖調控功能驗證

在禁食ChAT-ChR2小鼠中進行的腹腔糖耐量試驗顯示，葡萄糖挑戰(zhàn)（2 g/kg）期間施加光刺激（470 nm，20 Hz，5 ms）使血糖上升幅度降低2.2倍（從9.2±0.53升至20.3±1.6 mmol/L），而無刺激組上升3.1倍（從7.0±1.08升至20.5±1.25 mmol/L）。刺激組在15分鐘時的血漿胰島素水平是對照組的2.8倍（1.34±0.08 vs 0.48±0.05 ng/mL），葡萄糖曲線下面積降低44.3±7.8%（圖4g-i）。值得注意的是，胰島素水平在120分鐘內持續(xù)升高（約為基線的7.5倍，對照組約為2倍）。頻率依賴性評估顯示10、20和30 Hz刺激均能在注射后10-40分鐘內降低血糖，其中20 Hz效果優(yōu)于10 Hz，而30 Hz未帶來額外收益，支持20 Hz作為有效刺激參數。

圖4. 使用TAHOF光遺傳刺激胰腺迷走神經支配調控胰島素分泌。a 通過植入TAHOF在ChAT-ChR2轉基因小鼠中光激活胰腺迷走神經的示意圖（上）和植入小鼠照片（下）。比例尺：2 cm。b 同時進行光刺激和離體膈下迷走神經電生理記錄的實驗裝置。藍光通過TAHOF遞送，局部場電位由相鄰袖帶電極記錄。比例尺：1 mm。c 光刺激期間（470 nm，20 Hz，5 ms）迷走神經局部場電位譜圖，顯示穩(wěn)健的時間鎖定神經響應。d 植入小鼠運動行為評估的曠場實驗裝置。e 光刺激前（Stim(-)）和光刺激期間（Stim(+)）的代表性曠場運動軌跡，假手術對照組一并顯示。f 曠場實驗中3分鐘光刺激期間小鼠平均運動速度的量化（n=5只小鼠）。g-h 光遺傳刺激下腹腔糖耐量試驗（2 g/kg）期間的歸一化血糖（g）和血漿胰島素（h）。i（g）中血糖的曲線下面積（n=5只小鼠）。（f、i）中數據為均值±SD，n=5只小鼠；（g、h）中數據為均值±SE，n=5只小鼠。統(tǒng)計學顯著性和p值分別采用雙因素重復測量方差分析（g-h）、雙尾t檢驗（i）和單因素方差分析（f）。ns，不顯著；*p<0.05，**p<0.01。組別標記為Stim(-)/Stim(+)。

糖尿病模型實時調控與長期驗證

在STZ誘導的糖尿病小鼠模型（60 mg/kg）中，TAHOF與皮下連續(xù)血糖監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)用實現(xiàn)實時血糖監(jiān)測（圖5a-b）。周期性的光遺傳刺激（470 nm，20 Hz，5 ms，30分鐘間隔）誘導了快速可逆的血糖降低，從約20.5±0.9降至16.3±0.8 mmol/L，同時血漿胰島素增加3.3倍（從1.1±0.22增至3.6±0.65 ng/mL）（圖5c-d）。這種快速可逆的血糖降低凸顯了神經調控相對于藥理學制劑的時間特異性。持續(xù)3天的每日光刺激進一步將基礎血糖從20-23 mmol/L降至8-11 mmol/L（n=4）（圖5e），提示除急性胰島素釋放外還產生了持續(xù)改善的血糖穩(wěn)態(tài)——可能反映了β細胞響應性或胰島功能適應性的增強。至關重要的是，粘附包層對于維持3天期內組織接觸和位置穩(wěn)定性至關重要，確保了光傳送到胰腺神經支配的連續(xù)性。相比之下，非粘附水凝膠光纖僅在24小時內出現(xiàn)短暫血糖降低后即迅速反彈（從19.7±1.5升至23.6±0.5 mmol/L），因裝置位移和靶向精度喪失而失效。

為期14天的慢性驗證研究進一步證實了TAHOF的長期功能穩(wěn)定性。在植入后第1、3、7、10和14天，TAHOF介導的光刺激均誘導了顯著的血糖降低——早期（第1-7天）降低約6-9 mmol/L，后期（第10和14天）降低約4-5 mmol/L，所有效應均保持統(tǒng)計學顯著（圖5f）。雖然響應幅度隨光傳輸的漸進衰減而逐漸減小，但降糖效應在整個14天期間持續(xù)存在，證實了TAHOF在延長時間尺度上實現(xiàn)穩(wěn)定可靠胰腺迷走神經活性調控的能力。

圖5. 使用TAHOF在糖尿病小鼠中通過光遺傳刺激實現(xiàn)實時血糖調節(jié)。a TAHOF與連續(xù)血糖監(jiān)測傳感器集成系統(tǒng)，用于STZ誘導的ChAT-ChR2糖尿病小鼠實時血糖調節(jié)。b 植入TAHOF和CGM系統(tǒng)的小鼠照片，顯示通過智能手機界面的無線血糖監(jiān)測（虛線框）。比例尺：2 cm。c 通過TAHOF遞送光刺激（470 nm，20 Hz，5 ms）或不刺激的糖尿病小鼠225分鐘內血糖變化（CGM記錄）。d 225分鐘時的血漿胰島素水平，刺激組較對照組顯著升高。e 每日90分鐘光刺激經TAHOF實現(xiàn)3天持續(xù)血糖調節(jié)，與無粘合包層光纖（HOF）對比。f TAHOF植入后第1、3、7、10和14天，光刺激60分鐘前后各處理小鼠的血糖變化。（c、e）中數據為均值±SE，n=4只/組；（d）中數據為均值±SD，n=4只/組；（f）中數據為均值±SE，n=5只/組。（d）和（f）的統(tǒng)計學分析采用雙尾配對Student t檢驗。ns，不顯著；p<0.05；p<0.01；p<0.001。組別標記為Stim(-)/Stim(+)。（a）中的小鼠模型示意圖使用BioRender繪制。

總結與展望

本研究提出的TAHOF平臺，通過在同一光纖架構中協(xié)同設計光學約束和界面粘附，解決了變形內臟器官中光傳輸精度與力學兼容性之間的長期矛盾。MRI追蹤證實TAHOF在動態(tài)運動的胰腺表面能維持長達14天的穩(wěn)定體內粘附，光遺傳迷走刺激在自由活動糖尿病小鼠中始終有效驅動胰島素分泌和血糖調控。結合連續(xù)血糖監(jiān)測實現(xiàn)的3天閉環(huán)血糖調控，這些結果支持在動態(tài)內臟環(huán)境中實現(xiàn)時間可控神經調控的可行性。

超越胰腺應用，TAHOF為解剖結構復雜且力學活躍的生物系統(tǒng)建立了一個面向應用的軟光學接口設計框架。其核心設計原則——力學柔順性、固有組織粘附性和變形耐受光學導引——廣泛適用于其他運動豐富的器官，包括蠕動性胃腸組織和搏動性心血管結構。研究團隊在ChAT-ChR2小鼠中進一步驗證了胃動力光遺傳調控作為概念推廣。通過將剛性外部固定替換為材料層面的生物整合，該平臺為在其天然生理環(huán)境中探究外周神經回路提供了基礎，也為動態(tài)變形器官的慢性神經調控研究開辟了新路徑。