亚急性硬膜下电场治疗促进大鼠胸段脊髓挫伤后功能恢复的机制研究

本研究针对脊髓损伤(SCI)后功能恢复受限的临床难题，开发了一种基于超电容电极(SIROF)的硬膜下薄膜植入装置，通过2Hz双相电场(EF)治疗显著改善了大鼠后肢运动功能(BBB评分提高)和触觉敏感性(von Frey测试反应加速)，且未诱发神经炎症反应。该成果发表于《Nature Communications》，为开发安全长效的脊髓再生疗法提供了新思路。

脊髓损伤(Spinal Cord Injury, SCI)导致的运动感觉功能丧失一直是神经再生领域的重大挑战。传统金属电极存在腐蚀风险且硬膜外放置时电场渗透不足，而体外研究早已证实低频电场能促进轴突再生——这种"生物电疗法"的临床转化始终受限于电极材料和植入技术的瓶颈。

新西兰奥克兰大学与德国弗莱堡大学的研究团队创新性地采用溅射氧化铱膜(Sputtered Iridium Oxide Film, SIROF)超电容电极，通过精密薄膜加工技术制成可硬膜下植入的柔性装置。该研究首次证明每日1小时2Hz双相电场治疗(5μA, 250ms脉宽)能持续12周安全实施，使胸段脊髓挫伤大鼠在4周后后肢运动功能(Basso-Beattie-Bresnahan评分)显著超越对照组，触觉敏感性(von Frey细丝测试)更在首周即显现改善。相关成果发表于《Nature Communications》，为开发兼具生物相容性与疗效的神经再生疗法提供了关键技术突破。

关键技术方法包括：1) 采用微加工工艺制备含SIROF电极的聚酰亚胺薄膜植入体；2) 建立175千达因胸段脊髓挫伤大鼠模型；3) 通过有限元建模(FEM)量化脊髓内电场强度分布；4) 结合BBB评分、von Frey测试和水平梯任务等多维度行为学评估；5) 电化学阻抗谱(EIS)和循环伏安法(CV)监控电极稳定性。

EF治疗改善后肢运动功能恢复
通过BBB评分系统发现，治疗组大鼠在第7天恢复速度暂缓后，从第4周起运动功能显著优于对照组，至12周时100%达到协调行走水平(评分≥14)，而对照组仅20%。电子von Frey测试显示治疗组从第1周起触觉敏感性即持续增强，部分时段甚至超越未损伤组，提示可能存在感觉过敏现象。

硬膜下EF治疗未诱发神经炎症
免疫组化分析显示，治疗组与对照组的IBA1(小胶质细胞标记物)和GFAP(星形胶质细胞标记物)表达无显著差异，证明电场刺激未引起神经炎症反应。这种生物相容性对长期治疗至关重要。

轴突密度与再生标记物未见显著变化
尽管功能改善明显，β-tubulin III(轴突密度)和GAP43(轴突再生标记)的表达在损伤区周围未见组间差异，5-羟色胺能纤维分布也保持稳定。这提示功能恢复可能通过非轴突再生机制实现。

电场强度计算验证治疗参数
有限元模型显示，中型脊髓在硬膜下植入时中线区电场强度达0.8-1.6mV/mm，是既往硬膜外方法的1.7倍。这种增强的电场穿透力可能解释其独特疗效。

SIROF电极展现长期稳定性
90小时连续刺激测试中，SIROF电极保持完整而铂电极溶解。尽管体内阻抗逐渐升高，但电化学测试证实电极在12周内持续功能正常，仅部分出现机械性分层。

研究结论强调，硬膜下SIROF电极系统首次实现了安全有效的长期电场治疗，其功能改善效果与既往硬膜外方法相当甚至更优，且无需担忧金属电极腐蚀风险。这种将薄膜电子技术与生物电刺激相结合的策略，为开发下一代神经修复器件提供了重要范式。讨论部分指出，未来需优化脉冲参数(如延长单次治疗时间或提高场强)并探索功能恢复的分子机制——特别是电场对神经保护、髓鞘修复或神经网络重组等非再生性途径的影响。该技术已具备向大型动物模型转化的潜力，最终目标是为临床SCI患者提供可植入的生物电子治疗方案。