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JFB：低强度脉冲超声在神经修复中的作用机制及新兴治疗策略

已有 88 次阅读 2026-4-27 23:04 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

通讯作者简介

沈贺，中国医学科学院生物医学工程研究所研究员，博士生导师。长期从事组织再生修复微环境解析和调控的研究；开发多种基于生物材料促进组织再生修复新策略。沈贺研究员以第一/通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Biomaterials、Bioact. Mater.等杂志发表SCI论文40余篇，H指数47，谷歌学术总引用次数8000余次；授权专利6项；参与英文专著编著3章。担任学术期刊Front. Bioeng. Biotech.副主编、Biomed. Mater.和J. Funct. Biomater.编委；任中国生物材料学会神经修复材料分会及中国研究型医院学会神经再生与修复专业委员会委员。曾获Journal of Functional Biomaterials杰出青年学者奖、中国科学院青年人才项目、江苏省333高层次人才、苏州市青年岗位能手及春晖杯创新创业大赛二等奖等；入选全球前2%顶尖科学家。

戴建武，中国医学科学院生物医学工程研究所特聘研究员，执行所长，整合再生医学实验室负责人；国家杰出青年基金获得者，担任中国细胞生物学学会干细胞分会副会长兼秘书长、中国生物材料学会神经再生修复材料副会长、中国遗传学会再生医学转化分会常务副会长、Biomedical Materials杂志主编等。长期致力于研究磁、声、光、电等物理信号对组织器官发育及再生的影响，探索物理信号对脊髓损伤再生的作用机制；建立引导组织器官再生的微环境，研发并开发组织器官再生的新技术、新产品。

摘要

低强度脉冲超声 (Low-Intensity Pulsed Ultrasound, LIPUS) 治疗是一种无创物理疗法，该疗法通过LIPUS释放的机械力调控细胞钙信号、炎症反应及神经营养因子分泌，在神经修复中展现出巨大潜力。本文系统阐述了LIPUS的作用参数、生物学机制及其在外周与中枢神经损伤修复中的应用进展，并探讨了其与智能生物材料结合的未来方向。

研究背景

神经损伤，无论是外周神经断裂还是脊髓、脑部的中枢神经损伤，都可能导致患者永久性的感觉运动功能障碍甚至瘫痪。传统的药物治疗和手术干预虽然不可或缺，但常面临靶向性差、副作用大或有创操作风险等问题。近年来，物理疗法因其独特的优势受到广泛关注。其中，LIPUS以其无创、安全、可穿透深部组织且参数可调的特点受到关注。因此，本综述针对LIPUS在医学及生物医学工程领域的应用，聚焦于LIPUS从物理信号转化为促再生的生物学指令、LIPUS在不同损伤模型中的作用的异同以及进一步增强其治疗效果的相关方法 (图1)。

图1. 治疗超声的分类及应用

研究内容及主要成果

(1) LIPUS：从物理参数到生物学效应 (图2)

LIPUS的治疗效果常依赖于物理参数的设置。在本综述中，我们系统梳理了四大关键参数的作用：

频率：低频 (~1 MHz) 穿透力强，适合深部组织 (如脊髓、脑) 治疗；高频则更适合浅表组织修复。

强度：治疗强度通常低于3 W/cm²，以非热效应为主。低强度 (<100 mW/cm²) 常促进细胞增殖分化；稍高强度 (~1 W/cm²) 则可激活机械敏感离子通道。

占空比：影响能量累积和热效应。通常20%占空比在调控巨噬细胞抗炎方面效果显著，而50%占空比更利于施旺细胞增殖。

作用时间：单次时长和治疗周期共同决定疗效。单次刺激时间过短不足以激活信号，过长则可能降低细胞活力。

图2. LIPUS系统及不同参数的生物学功能

(2) 多维度调控：LIPUS促进神经修复的多种途径

本综述中，LIPUS的生物学效应被归纳为一个递进的力传导机制，从上游的机械力感知到下游的功能实现，具体而言：

激活钙信号：LIPUS的机械力可打开细胞膜上的Piezo1、L型钙通道等，引发温和的钙离子内流，并作为第二信使启动下游修复程序 (图3a)。

分泌神经营养因子：钙信号进一步激活CaMKII/CREB通路，上调脑源性神经营养因子 (BDNF)、神经生长因子 (NGF) 等的表达，构建促再生的化学微环境 (图3b)。

调控神经炎症：LIPUS可诱导小胶质细胞/巨噬细胞从促炎的M1表型向抗炎修复的M2表型转换，抑制炎症因子TNF-α、IL-1β的释放，从而减轻继发性损伤 (图3c)。

促进髓鞘再生：LIPUS能通过激活施旺细胞 (外周神经) 或少突胶质细胞 (中枢神经) 的增殖与成熟，促进功能恢复 (图3d)。

协同血管生成：LIPUS可刺激内皮细胞增殖，促进血管新生，为高能耗的神经再生过程提供必要的氧气和营养支持 (图3e)。

图3. LIPUS的多种调控途径

(3) 精准应用：LIPUS在外周与中枢神经损伤中的策略差异 (图4c、d)

外周神经损伤：LIPUS通过促进施旺细胞增殖、迁移和髓鞘化，引导轴突再生，并调节损伤早期的炎症反应，加速功能恢复。

中枢神经损伤：LIPUS既可调节小胶质细胞介导的神经炎症，又可抑制胶质瘢痕的形成，削弱髓鞘相关抑制因子的作用，为轴突的再生提供必要的环境。此外，LIPUS还能可逆性地开放血脑/血脊髓屏障，为药物或纳米载体靶向递送至中枢病变部位提供了一扇“临时窗口”。

(4) LIPUS与生物材料构建智能再生平台

LIPUS通过与生物材料协同实现促进组织的再生及药物的按需释放 (图4e、f)：

压电材料驱动电刺激：压电神经导管被植入体内后，在LIPUS的远程触发下，可在导管原位产生微电流，以此直接地激活钙离子通道，引导轴突定向生长，促进髓鞘形成。

超声响应材料实现按需释药：LIPUS可触发超声响应水凝胶的结构变化，当水凝胶包裹生长因子或小分子药物时，LIPUS刺激可实现药物 (如NGF) 的脉冲式精准释放，在需要的时间和地点提供化学支持。

图4. LIPUS在中枢神经系统、周围神经系统修复方面的应用，及LIPUS与生物材料的综合应用

文章及研究成果的意义或潜在价值

围绕超声在医学及生物医学工程领域的发展，本综述系统梳理了LIPUS的功能、参数细节及其在神经修复领域的应用。对LIPUS在细胞和微环境层面的调控进行汇总分析，并展望其与智能材料、人工智能结合的广阔前景，为后续的基础研究与临床转化提供了清晰的方向。未来，基于LIPUS的个性化、智能化、无创物理调控方案，有望成为神经损伤治疗的新范式。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2079-4983/17/3/113