一种基于微阵列芯片的超声联合载药纳米气泡神经元多生理参数长期监测系统
超声神经调控技术作为一种新兴的中枢神经系统（CNS）疾病治疗技术，已被证明可实现癫痫、帕金森等多种疾病的有效治疗。然而，该技术在应用中仍面临多重挑战：（1）生物安全性评估不足：虽然超声具有无创、高安全性的优势，但用于疾病治疗的低强度脉冲超声（LIPUS）的生物安全性缺乏长期、系统性评估；（2）有效治疗参数不明确：LIPUS对特定疾病治疗的有效性虽已被证实，但其有效治疗参数（频率、占空比、脉冲重复频率、声压等）尚未进行系统评估；（3）作用机制不明：超声实现神经调控和疾病治疗的分子机制尚不明确；（4）治疗效果受限且颅骨衰减严重：单独超声治疗效果可能不理想，且超声在颅骨处的衰减严重影响CNS疾病治疗。
针对上述问题，东南大学生物科学与医学工程学院杨芳教授团队发展了片上声表面波干预与神经电生理和温度监测芯片系统。该系统基于已研发微电极和铂电阻阵列实现神经元电信号和温度信号持续监测（温度分辨率达0.02 ℃）(Biosensor & Bioelectronics, 2023, 229: 115227)，进一步结合片上叉指换能器发射声表面波，可发射不同参数的声表面波，并同步、持续记录片上神经元兴奋性与温度信号。进一步制备载药纳米气泡（以癫痫研究为例，制备载有丙戊酸钠的VPA@NBs），将其与LIPUS结合，实现药物靶向释放和超声机械作用增强的双重治疗效果。基于该平台，（1）实现了超声安全性和治疗治疗超声参数有效性的系统性评估；（2）首次发现了癫痫神经元模型中独特的温度振荡现象，并深入分析了其产生机制及VPA@NBs联合LIPUS治疗癫痫的分子通路作用机制；（3）探究了基于VPA@NBs增强LIPUS的癫痫治疗效果。这种实时监测联合治疗的策略不仅提升癫痫治疗效果，也为克服未来治疗CNS相关疾病时颅骨的超声衰减问题提供了潜在解决方案。
图1. 基于微阵列芯片的LIPUS联合VPA@NBs干预，片上癫痫神经元电生理和温度监测系统示意图。
相关研究成果发表于ACS Sensors，题为Long-Term Multiparameter Sensing Integrated On-Chip Ultrasound for Epileptic Neuron Modulation（https://doi.org/10.1021/acssensors.5c00258）。
东南大学生物科学与医学工程学院博士研究生鞠永旭为该论文的第一作者，杨芳教授为通讯作者。该工作获国家重点研发计划（2023YFF0713600）等项目资助。（审核：生医学院）