香港理工大学杨莫/潘峰团队Small：视网膜光感受器仿生微花对退行性病变视网膜的光响应恢复应用与机制

视网膜色素变性是全球遗传性失明的主要原因之一，通常在青少年和年轻成人中发病。该疾病的病理特征是视网膜中光感受器细胞的退化。光感受器能够将光转换为电信号，经由内部神经元传递到视网膜神经节细胞，最终编码视觉信息并传输至大脑生成图像。当光感受器细胞退化时，视网膜接收到的图像会变得模糊或完全不可见。当前除了适用于遗传性视网膜营养不良的Luxturna基因疗法外，尚未开发出更适宜的临床疗法。电刺激和光遗传疗法在光感受器细胞的功能恢复中发挥了重要作用，但电极植入和借助病毒载体输送外源光敏蛋白的安全性问题仍然值得改进。生物相容性光电材料，在保留视网膜结构和遗传内容完整性方面具有一定优势。减少光电植入的侵入性，提高光电刺激的时间空间精度对退行性视网膜病变的治疗具有重要意义。

香港理工大学杨莫教授联合视觉科学研究中心潘峰团队，利用量子点NGQD掺杂的ZnIn₂S₄微花合成了一种0D/3D异质结构来模拟光感受器细胞，用于视网膜退行化小鼠 (P66 rd10) 中视网膜光响应的恢复。微花与自然光感受器细胞的尺寸接近，并可以分布在视网膜的曲面空间，模拟细胞的分散排布。微花的柔性2D纳米花瓣具有大的比表面积用于模拟细胞之间的柔性接触和光电信号的传递。

这种基于微花的生物界面可以选择性地恢复七种视网膜神经节细胞 (RGCs) 的光响应活动。恢复响应的RGCs与正常小鼠RGCs具有相似的数量分布特征，这反映出该生物界面可能触发了退行性视网膜的初步“神经编码”。膜片钳记录表明，该生物界面可以在单细胞水平诱导放电和后突触电流。这些研究可能为发展视网膜病变的仿生光电植入治疗提供一种全新的启示。相关工作以 “Photoreceptor-mimetic Microflowers for Restoring Light Responses in Degenerative Retina through a 2D Nanopetal/Cell Biointerface” 为题发表在Small。

在这项研究中，研究人员合成了2–5 μm的ZnIn₂S₄/NGQD的微花，分散于退行性病变的视网膜中 (源自P66 rd10小鼠) (图1 a)。该光感受器仿生微花具有二维薄层状的纳米级柔性花瓣。相比于表面平整的玻璃微球 (图1b)，微花具有更大的比表面积和柔性展开结构，利于和视网膜神经节细胞层贴合，促进微花上光生电荷向细胞传递，并增加细胞上光电响应激活的面积。野生型小鼠视网膜主要分三层：具有光感受器细胞（杆状细胞和锥状细胞）的外核层（ONL），具有双极细胞的内核层（INL），以及具有RGCs的神经节细胞层（GCL）。野生型 (WT)小鼠视网膜的ONL显示有12–15层的光感受器细胞体，而P66 rd10小鼠视网膜几乎丧失了所有的光感受器细胞（图1c和1d）。SEM图像分析和Z-stack共聚焦显微镜图像显示，ZnIn₂S₄/NGQD 微花和荧光玻璃微球在原始ONL中形成了10–15µm的植入层（图1e和1f）。

在光刺激下，与野生型小鼠视网膜相比，无微粒植入的退行性视网膜中RGCs几乎未显示自发放电（图1g和1h）。然而，微花植入的退行性视网膜恢复了自发放电活动，但玻璃微球植入的退行性视网膜未显示放电活动（图1i和1j）。

图1. ZnIn₂S₄//NGQD微花与退行性视网膜间的光电响应界面

此外，这项工作考察了ZnIn₂S₄/NGQD微花对退行性视网膜中视网膜神经节细胞光响应恢复的电生理学特性。研究人员采用256通道微电极阵列（MEA）记录了RGCs的光诱导放电活动。结果表明，微花植入恢复了P66 rd10退行性视网膜中的七种主要类型RGCs的光激活反应，即ON瞬态（n = 220 WT / 44 rd10）、ON持续（n = 109 WT / 12 rd10）、OFF瞬态（n = 401 WT / 137 rd10）、OFF持续（n = 120 WT / 35 rd10）、ON-OFF（n = 103 WT / 21 rd10）、ON延迟（n = 8 WT / 7 rd10）和OFF延迟（n = 115 WT / 94 rd10）（图2a-2h）。由ZnIn₂S₄/NGQD微花光激活的RGCs显示了与正常视网膜相似的数量分布特征（图5h）。微花植入的rd10视网膜中，ON和OFF延迟的RGCs与WT视网膜相比没有显著统计学差异（图2i）。此外， 与WT视网膜中的OFF RGCs相比（1.12 ± 0.02秒，p <0.01，n = 32），ZnIn₂S₄/NGQD微花植入的rd10视网膜中OFF RGCs的光反应潜伏期有所减少（1.05 ± 0.04秒，均值± SEM；p <0.01，n = 32），（图2j）。综合形态分析可显示，基于微花的生物界面形成了大量的刺激位置，并可能导致INL中神经元的各向异性响应。ZnIn₂S₄/NGQD异质结构微花的合成，以及与退行性视网膜交互的机制图展示于图3。

图2. ZnIn₂S₄/NGQD微花对退行性小鼠视网膜中RGCs光响应恢复的视觉信息模式分析

图3. ZnIn₂S₄/NGQD微花与退行性视网膜光电交互作用的示意图

这些研究表明，在退行性视网膜中植入类似细胞的ZnIn₂S₄/NGQD微花能够将光信号转化为生物界面上的电活动。仿生微花能够模拟光感受器并恢复P66 rd10小鼠视网膜中七种主要类型的RGCs的光响应。作为概念验证，光电响应型微花生物界面的应用显示了仿生技术在视觉康复中的可取性。ZnIn₂S₄/NGQD异质结构光电微花的开发和应用开辟了恢复视觉功能的新可能性。然而，从实验模型过渡到临床应用仍然需要深入评估微花的长期稳定性和安全性，考察炎症或排斥反应，并监测其对视觉功能恢复的长期疗效，从而为视网膜退休行病变的新疗法带来希望。

香港理工大学生物医学工程系杨莫教授和视觉科学研究中心潘峰副教授为该论文的共同通讯作者，格日乐博士、 Seema Banerjee博士为本论文的共同第一作者。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202400300