Electrical Stimulation for Nervous System Injury: Research Progress and Prospects

Yizhu Shan Hongqing Feng Zhou Li

Citation:  Shan Yizhu, Feng Hongqing, Li Zhou. Electrical Stimulation for Nervous System Injury: Research Progress and Prospects[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(12): 2005038-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005038 shu

电刺激治疗神经系统损伤疾病:研究进展与展望

    作者简介:
    Dr. Hongqing Feng received her Doctor's Degree in Peking University, Beijing. She is currently working as an associate professor at Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, CAS. Her research interest includes anti-bacterial technologies and the biomedical applications of nanogenerators;
    Prof. Zhou Li received his Ph.D. from Peking University in Department of Biomedical Engineering in 2010. Currently, he is a Professor in Beijing Istitute of Nanoenergy and Nanosystems, CAS. His reaserch interests include nanogenerators, in vivo energy harvesters and self-powered medical devices, biosensors;
    通讯作者: 封红青, fenghongqing@binn.cas.cn
    李舟, zli@binn.cas.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 81971770

    国家自然科学基金(81971770, 61875015), 中国科学院大学, 国家万人计划“青年拔尖”项目资助

    国家自然科学基金 61875015

摘要: 神经系统损伤会扰乱神经系统内的通讯,导致基本神经功能丧失和瘫痪,这不仅给患者本人带来身体和心理上的极大伤害,严重影响患者的生活质量,还会对家庭乃至整个社会造成巨大的经济负担。自20世纪40年代的研究人员发现外源电场(EF)可以诱导神经细胞产生更多的神经突以及引导轴突定向及加速生长之后,电刺激疗法即被纳入神经损伤的治疗研究中来,并在几十年的发展中涌现出很多的优秀成果。本综述讨论了EFs对神经细胞的影响,以及应用EFs进行外周神经(PNS)和中枢神经(CNS)损伤的研究进展。在PNS中,EF能够刺激受损肢体神经的再生和功能恢复。在CNS中,可以使用EF刺激实现轴突再生并恢复患者的行走能力。另外,近年来关于一种新型的电刺激源——纳米发电机的研究进展迅速。纳米发电机是可将机械能直接转换为电能的创新能源器件。将其应用于生物医学领域,可以收集人体运动的机械能并直接输出电刺激,而不再需要外界的电能供应,这有望为电刺激治疗带来重大的创新和变革。本综述概述了近年来纳米发电机在神经系统疾病治疗方面的研究进展和应用实例。

English

    1. [1]

      Courtine, G.; Sofroniew, M. V. Nat. Med. 2019, 25, 898. doi: 10.1038/s41591-019-0475-6 doi: 10.1038/s41591-019-0475-6

    2. [2]

      Haan, N.; Song, B. Adv. Wound Care (New Rochelle) 2014, 3, 156. doi: 10.1089/wound.2013.0450 doi: 10.1089/wound.2013.0450

    3. [3]

      Bradbury, E. J.; Khemani, S.; Von, R.; King; Priestley, J. V.; McMahon, S. B. Eur. J. Neurosci. 1999, 11, 3873. doi: 10.1046/j.1460-9568.1999.00809.x doi: 10.1046/j.1460-9568.1999.00809.x

    4. [4]

      Bregman, B. S.; Kunkel-Bagden, E.; Schnell, L.; Dai, H. N.; Gao, D.; Schwab, M. E. Nature 1995, 378, 498. doi: 10.1038/378498a0 doi: 10.1038/378498a0

    5. [5]

      Bradbury, E. J.; Moon, L. D.; Popat, R. J.; King, V. R.; Bennett, G. S.; Patel, P. N.; Fawcett, J. W.; McMahon, S. B. Nature 2002, 416, 636. doi: 10.1038/416636a doi: 10.1038/416636a

    6. [6]

      Lu, P.; Jones, L. L.; Snyder, E. Y.; Tuszynski, M. H. Exp. Neurol. 2003, 181, 115. doi: 10.1016/s0014-4886(03)00037-2 doi: 10.1016/s0014-4886(03)00037-2

    7. [7]

      Borgens, R. B.; Jaffe, L. F.; Cohen, M. J. Proc. Natl. Acad. Sci. 1980, 77, 4390. doi: 10.1073/pnas.77.7.4390-c doi: 10.1073/pnas.77.7.4390-c

    8. [8]

      Jenkins, L. S.; Duerstock, B. S.; Borgens, R. B. Dev. Biol. 1996, 178, 251. doi: 10.1006/dbio.1996.0216 doi: 10.1006/dbio.1996.0216

    9. [9]

      Gaudet, A. D.; Popovich, P. G.; Ramer, M. S. J. Neuroinflammation 2011, 8, 110. doi: 10.1186/1742-2094-8-110 doi: 10.1186/1742-2094-8-110

    10. [10]

      Webber, C. A.; Christie, K. J.; Cheng, C.; Martinez, J. A.; Singh, B.; Singh, V.; Thomas, D.; Zochodne, D. W. Glia 2011, 59, 1503. doi: 10.1002/glia.21194 doi: 10.1002/glia.21194

    11. [11]

      Marsh, G.; Beams, H. W. J. Cell Comp. Physiol. 1946, 27, 139. doi: 10.1002/jcp.1030270303 doi: 10.1002/jcp.1030270303

    12. [12]

      Jaffe, L. F.; Poo, M. M. J. Exp. Zool. 1979, 209, 115. doi: 10.1002/jez.1402090114 doi: 10.1002/jez.1402090114

    13. [13]

      Patel, N.; Poo, M. M. J. Neurosci. 1982, 2, 483. doi: 10.1523/jneurosci.02-04-00483.1982 doi: 10.1523/jneurosci.02-04-00483.1982

    14. [14]

      Hinkle, L.; McCaig, C. D.; Robinson, K. R. J. Physiol. 1981, 314, 121. doi: 10.1113/jphysiol.1981.sp013695 doi: 10.1113/jphysiol.1981.sp013695

    15. [15]

      Al-Majed, A. A.; Neumann, C. M.; Brushart, T. M.; Gordon, T. Eur. J. Neurosci. 2000, 12, 4381. doi: 10.1523/jneurosci.20-07-02602.2000 doi: 10.1523/jneurosci.20-07-02602.2000

    16. [16]

      Al-Majed, A. A.; Tam, S. L.; Gordon, T. J. C. Cell. Mol. Neurobiol. 2004, 24, 379. doi: 10.1023/b:cemn.0000022770.66463.f7 doi: 10.1023/b:cemn.0000022770.66463.f7

    17. [17]

      Brushart, T. M.; Hoffman, P. N.; Royall, R. M.; Murinson, B. B.; Witzel, C.; Gordon, T. J. Neurosci. 2002, 22 (15), 6631. doi: 10.1523/jneurosci.22-15-06631.2002 doi: 10.1523/jneurosci.22-15-06631.2002

    18. [18]

      Huang, J.; Hu, X.; Lu, L.; Ye, Z.; Wang, Y.; Luo, Z. J. Neurotrauma 2009, 26, 1805. doi: 10.1089/neu.2008-0732 doi: 10.1089/neu.2008-0732

    19. [19]

      Mendonça, A. C.; Barbieri, C. H.; Mazzer, N. J. Neurosci. Methods 2003, 129, 183. doi: 10.1016/s0165-0270(03)00207-3 doi: 10.1016/s0165-0270(03)00207-3

    20. [20]

      Huang, J.; Zhang, Y.; Lu, L.; Hu, X.; Luo, Z. Eur. J. Neurosci. 2013, 38, 3691. doi: 10.1111/ejn.12370 doi: 10.1111/ejn.12370

    21. [21]

      Huang, J.; Lu, L.; Zhang, J.; Hu, X.; Zhang, Y.; Liang, W.; Wu, S.; Luo, Z. J. P. O. PLoS One 2012, 7. doi: 10.1371/journal.pone.0039526 doi: 10.1371/journal.pone.0039526

    22. [22]

      Ahlborn, P.; Schachner, M.; Irintchev, A. Exp. Neurol. 2007, 208, 137. doi: 10.1016/j.expneurol.2007.08.005 doi: 10.1016/j.expneurol.2007.08.005

    23. [23]

      Gordon, T.; Amirjani, N.; Edwards, D. C.; Chan, K. M. Exp. Neurol. 2010, 223, 192. doi: 10.1016/j.expneurol.2009.09.020 doi: 10.1016/j.expneurol.2009.09.020

    24. [24]

      Wong, J. N.; Olson, J. L.; Morhart, M. J.; Chan, K. M. Ann. Neurol. 2015, 77, 996. doi: 10.1002/ana.24397 doi: 10.1002/ana.24397

    25. [25]

      Singh, B.; Xu, Q. G.; Franz, C. K.; Zhang, R.; Dalton, C.; Gordon, T.; Verge, V. M.; Midha, R.; Zochodne, D. W. J. Neurosurg. 2012, 116, 498. doi: 10.3171/2011.10.JNS11612 doi: 10.3171/2011.10.JNS11612

    26. [26]

      Nix, W. A.; Hopf, H. C. Brain research 1983, 272, 21. doi: 10.1016/0006-8993(83)90360-8 doi: 10.1016/0006-8993(83)90360-8

    27. [27]

      Gordon, T.; Chan, K. M.; Sulaiman, O. A.; Udina, E.; Amirjani, N.; Brushart, T. M. J. N. Neurosurgery 2009, 65, A132. doi: 10.1227/01.neu.0000335650.09473.d3 doi: 10.1227/01.neu.0000335650.09473.d3

    28. [28]

      Eberhardt, K. A.; Irintchev, A.; Al-Majed, A. A.; Simova, O.; Brushart, T. M.; Gordon, T.; Schachner, M. Exp. Neurol. 2006, 198, 500. doi: 10.1016/j.expneurol.2005.12.018 doi: 10.1016/j.expneurol.2005.12.018

    29. [29]

      Udina, E.; Furey, M.; Busch, S.; Silver, J.; Gordon, T.; Fouad, K. Exp. Neurol. 2008, 210, 238. doi: 10.1016/j.expneurol.2007.11.007 doi: 10.1016/j.expneurol.2007.11.007

    30. [30]

      Aglah, C.; Gordon, T.; De Chaves, E. P. J. N. Neuropharmacology 2008, 55, 8. doi: 10.1016/j.neuropharm.2008.04.005 doi: 10.1016/j.neuropharm.2008.04.005

    31. [31]

      Huang, J.; Ye, Z.; Hu, X.; Lu, L.; Luo, Z. J. G. Glia 2010, 58, 622. doi: 10.1002/glia.20951 doi: 10.1002/glia.20951

    32. [32]

      Koppes, A.; Zaccor, N.; Rivet, C.; Williams, L.; Piselli, J.; Gilbert, R.; Thompson, D. M. J. Neural. Eng. 2014, 11, 046002. doi: 10.1088/1741-2560/11/4/046002 doi: 10.1088/1741-2560/11/4/046002

    33. [33]

      Borgens, R. B.; Roederer, E.; Cohen, M. J. J. S. Science 1981, 213, 611. doi: 10.1126/science.7256258 doi: 10.1126/science.7256258

    34. [34]

      Borgens, R. B.; Blight, A. R.; McGinnis, M. J. S. Science 1987, 238, 366. doi: 10.1126/science.3659920 doi: 10.1126/science.3659920

    35. [35]

      Borgens, R. B.; Blight, A. R.; McGinnis, M. E. J. Comp. Neurol. 1990, 296, 634. doi: 10.1002/cne.902960409 doi: 10.1002/cne.902960409

    36. [36]

      Fehlings, M. G.; Tator, C. H. Brain Res. 1992, 579, 32. doi: 10.1016/0006-8993(92)90738-u doi: 10.1016/0006-8993(92)90738-u

    37. [37]

      Borgens, R. B.; Toombs, J. P.; Blight, A. R.; McGinnis, M. E.; Bauer, M. S.; Widmer, W. R.; Cook Jr., J. R. Restor. Neurol. Neurosci. 1993, 5, 305. doi: 10.3233/RNN-1993-55601 doi: 10.3233/RNN-1993-55601

    38. [38]

      Shapiro, S.; Borgens, R.; Pascuzzi, R.; Roos, K.; Groff, M.; Purvines, S.; Rodgers, R. B.; Hagy, S.; Nelson, P. J. Neurosurg. 2005, 2, 3. doi: 10.3171/spi.2005.2.1.0003 doi: 10.3171/spi.2005.2.1.0003

    39. [39]

      Gerasimenko, Y. P.; Ichiyama, R. M.; Lavrov, I. A.; Courtine, G.; Cai, L.; Zhong, H.; Roy, R. R.; Edgerton, V. R. J. Neurophysiol. 2007, 98, 2525. doi: 10.1152/jn.00836.2007 doi: 10.1152/jn.00836.2007

    40. [40]

      Courtine, G.; Gerasimenko, Y.; van den Brand, R.; Yew, A.; Musienko, P.; Zhong, H.; Song, B. B.; Ao, Y.; Ichiyama, R. M.; Lavrov, I.; et al. Nat. Neurosci. 2009, 12, 1333. doi: 10.1038/nn.2401 doi: 10.1038/nn.2401

    41. [41]

      Wenger, N.; Moraud, E. M.; Raspopovic, S.; Bonizzato, M.; DiGiovanna, J.; Musienko, P.; Morari, M.; Micera, S.; Courtine, G. J. Sci. Transl. Med. 2014, 6, 255ra133. doi: 10.1126/scitranslmed.3008325 doi: 10.1126/scitranslmed.3008325

    42. [42]

      Wenger, N.; Moraud, E. M.; Gandar, J.; Musienko, P.; Capogrosso, M.; Baud, L.; Le Goff, C. G.; Barraud, Q.; Pavlova, N.; Dominici, N.; et al. Nat. Med. 2016, 22, 138. doi: 10.1038/nm.4025 doi: 10.1038/nm.4025

    43. [43]

      Minev, I. R.; Musienko, P.; Hirsch, A.; Barraud, Q.; Wenger, N.; Moraud, E. M.; Gandar, J.; Capogrosso, M.; Milekovic, T.; Asboth, L.; et al. Science 2015, 347 (6218), 159. doi: 10.1126/science.1260318 doi: 10.1126/science.1260318

    44. [44]

      Angeli, C. A.; Boakye, M.; Morton, R. A.; Vogt, J.; Benton, K.; Chen, Y.; Ferreira, C. K.; Harkema, S. J. N. Engl. J. Med. 2018, 379, 1244. doi: 10.1056/NEJMoa1803588 doi: 10.1056/NEJMoa1803588

    45. [45]

      Gill, M. L.; Grahn, P.; Calvert, J. S.; Linde, M. B.; Lavrov, I. A.; Strommen, J. A.; Beck, L. A.; Sayenko, D. G.; Van Straaten, M. G; Drubach, D. I.; et al. Nat. Med. 2018, 24, 1677. doi: 10.1038/s41591-018-0175-7 doi: 10.1038/s41591-018-0175-7

    46. [46]

      Wang, Z. L.; Song, J. Science 2006, 312, 242. doi: 10.1126/science.1124005 doi: 10.1126/science.1124005

    47. [47]

      Fan, F. R.; Tian, Z. Q.; Wang, Z. L. Nano Energy 2012, 1, 328. doi: 10.1016/j.nanoen.2012.01.004 doi: 10.1016/j.nanoen.2012.01.004

    48. [48]

      Ouyang, H.; Tian, J. J.; Sun, G. L.; Zou, Y.; Liu, Z.; Li, H.; Zhao, L. M.; Shi, B. J.; Fan, Y. B.; Fan, Y. F.; et al. Adv. Mater. 2017, 29. doi: 10.1002/adma.201703456 doi: 10.1002/adma.201703456

    49. [49]

      Kim, S.; Gupta, M. K.; Lee, K. Y.; Sohn, A.; Kim, T. Y.; Shin, K. S.; Kim, D.; Kim, S. K.; Lee, K. H.; Shin, H. J.; et al. Adv. Mater. 2014, 26, 3918. doi: 10.1002/adma.201400172 doi: 10.1002/adma.201400172

    50. [50]

      Zi, Y.; Lin, L.; Wang, J.; Wang, S.; Chen, J.; Fan, X.; Yang, P. K.; Yi, F.; Wang, Z. L. Adv. Mater. 2015, 27, 2340. doi: 10.1002/adma.201500121 doi: 10.1002/adma.201500121

    51. [51]

      Hu, W. T.; Wei, X. L.; Zhu, L.; Yin, D.; Wei, A. M.; Bi, X. Y.; Liu, T.; Zhou, G. M.; Qiang, Y. H.; Sun, X. H. Nano Energy 2019, 57, 600. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.12.077 doi: 10.1016/j.nanoen.2018.12.077

    52. [52]

      He, C.; Zhu, W.; Chen, B.; Xu, L.; Jiang, T.; Han, C. B.; Gu, G. Q.; Li, D.; Wang, Z. L. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 26126. doi: 10.1021/acsami.7b08526 doi: 10.1021/acsami.7b08526

    53. [53]

      Zheng, Q.; Shi, B.; Fan, F.; Wang, X.; Yan, L.; Yuan, W.; Wang, S.; Liu, H.; Li, Z.; Wang, Z. L. Adv. Mater. 2014, 26, 5851. doi: 10.1002/adma.201402064 doi: 10.1002/adma.201402064

    54. [54]

      Zheng, Q.; Zhang, H.; Shi, B. J.; Xue, X, ; Liu, Z.; Jin, Y. M.; Ma, Y.; Zou, Y.; Wang, X. X.; An, Z.; et al. ACS Nano 2016, 10, 6510. doi: 10.1021/acsnano.6b02693 doi: 10.1021/acsnano.6b02693

    55. [55]

      Guo, W.; Zhang, X.; Yu, X.; Wang, S.; Qiu, J.; Tang, W.; Li, L.; Liu, H.; Wang, Z. L. ACS Nano 2016, 10, 5086. doi: 10.1021/acsnano.6b00200 doi: 10.1021/acsnano.6b00200

    56. [56]

      Tang, W.; Tian, J.; Zheng, Q.; Yan, L.; Wang, J.; Li, Z.; Wang, Z. L. ACS Nano 2015, 9, 7867. doi: 10.1021/acsnano.5b03567 doi: 10.1021/acsnano.5b03567

    57. [57]

      Zheng, Q.; Zou, Y.; Zhang, Y.; Liu, Z.; Shi, B.; Wang, X.; Jin, Y.; Ouyang, H.; Li, Z.; Wang, Z. L. Sci. Adv. 2016, 2, e1501478. doi: 10.1126/sciadv.1501478 doi: 10.1126/sciadv.1501478

    58. [58]

      Mayberg, H. S.; Lozano, A. M.; Voon, V.; McNeely, H. E.; Seminowicz, D.; Hamani, C.; Schwalb, J. M.; Kennedy, S. H. Neuron 2005, 45, 651. doi: 10.1016/j.neuron.2005.02.014 doi: 10.1016/j.neuron.2005.02.014

    59. [59]

      Hwang, G. T.; Kim, Y.; Lee, J. H.; Oh, S.; Jeong, C. K.; Park, D. Y.; Ryu, J.; Kwon, H.; Lee, S. G.; Joung, B.; et al. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 2677. doi: 10.1039/c5ee01593f doi: 10.1039/c5ee01593f

    60. [60]

      Lee, S.; Wang, H.; Shi, Q.; Dhakar, L.; Wang, J.; Thakor, N. V.; Yen, S. C.; Lee, C. Nano Energy 2017, 33, 1. doi: 10.1016/j.nanoen.2016.12.038 doi: 10.1016/j.nanoen.2016.12.038

    61. [61]

      Lee, S.; Wang, H.; Wang, J.; Shi, Q.; Yen, S. C.; Thakor, N. V.; Lee, C. Nano Energy 2018, 50, 148. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.04.004 doi: 10.1016/j.nanoen.2018.04.004

    62. [62]

      Wang, H.; Wang, J.; He, T.; Li, Z.; Lee, C. Nano Energy 2019, 63. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.06.040 doi: 10.1016/j.nanoen.2019.06.040

    63. [63]

      Beker, L.; Zorlu, O.; Goksu, N.; Kulah, H. In Transducers & Eurosensors XXVII, The 17th International Conference on Solid-State Sensors, Barcelona, Spain, June 16-20, 2013; IEEE: Piscataway, 2013; pp. 1663-1666.

    64. [64]

      Chen, T.; Shi, Q.; Zhu, M.; He, T.; Sun, L.; Yang, L.; Lee, C. ACS Nano 2018, 12, 11561. doi:10.1021/acsnano.8b06747

    65. [65]

      Yao, G.; Xu, L.; Cheng, X.; Li, Y.; Huang, X.; Guo, W.; Liu, S.; Wang, Z. L.; Wu, H. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1907312. doi: 10.1002/adfm.201907312 doi: 10.1002/adfm.201907312

    66. [66]

      Chen, S.; Pang, Y.; Yuan, H.; Tan, X.; Cao, C. Adv. Mater. Technol. 2020, 1901075. doi:10.1002/admt.201901075 doi: 10.1002/admt.201901075

    67. [67]

      Shi, J.; Fang, Y. Adv. Mater. 2019, 31, e1804895. doi: 10.1002/adma.201804895 doi: 10.1002/adma.201804895

    68. [68]

      Lacour, S. P.; Courtine, G.; Guck, J. Nat. Rev. Mater. 2016, 1. doi: 10.1038/natrevmats.2016.63 doi: 10.1038/natrevmats.2016.63

    69. [69]

      许可, 王晋芬.物理化学学报, 2020, 36 (12), 2003050 doi: 10.3866/PKU.WHXB202003050Xu, K; Wang, J. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36 (12), 2003050. doi: 10.3866/PKU.WHXB202003050

    70. [70]

      Guan, S.; Wang, J.; Gu, X.; Zhao, Y.; Hou, R.; Fan, H.; Zou, L.; Gao, L.; Du, M.; Li, C.; Fang, Y. Sci. Adv. 2019, 5, eaav2842. doi: 10.1126/sciadv.aav2842 doi: 10.1126/sciadv.aav2842

    71. [71]

      Zhang, J.; Liu, X. J.; Xu, W. J.; Luo, W. H.; Li, M.; Chu, F. B.; Xu, L.; Cao, A. Y.; Guan, J. S.; Tang, S. M.; Duan, X. J. Nano Lett. 2018, 18, 2903. doi: 10.1021/acs.nanolett.8b00087 doi: 10.1021/acs.nanolett.8b00087

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  42
  • HTML全文浏览量:  1
文章相关
  • 发布日期:  2020-12-15
  • 收稿日期:  2020-05-14
  • 接受日期:  2020-06-10
  • 修回日期:  2020-06-10
  • 网络出版日期:  2020-06-15
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章