Optogenetic activation of mechanical nociceptions to enhance implant osseointegration

机械转化 机械敏感通道 骨整合 压电1 光遗传学 伤害感受器 细胞生物学 植入 神经科学 医学 生物医学工程 生物 伤害 内科学 外科 受体 离子通道
作者
Q. Wang,Yang Chen,Haiqi Ding,Yuanqing Cai,Xuhui Yuan,Jianhua Lv,Jiagu Huang,Jiexin Huang,Chaofan Zhang,Hong Zhang,Hongyan Li,Ying Huang,Jiamin Lin,Yuan Lin,Lan Lin,Sun‐Kyoung Yu,Canhong Zhang,Jianhua Lin,Wenbo Li,Cheng Chang
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:16 (1): 3093-3093 被引量:5
标识
DOI:10.1038/s41467-025-58336-x
摘要

Orthopedic implants with high elastic modulus often suffer from poor osseointegration due to stress shielding, a phenomenon that suppresses the expression of intracellular mechanotransduction molecules (IMM) such as focal adhesion kinase (FAK). We find that reduced FAK expression under stress shielding is also mediated by decreased calcitonin gene-related peptide (CGRP) released from Piezo2+ mechanosensitive nerves surrounding the implant. To activate these nerves minimally invasively, we develop a fully implantable, wirelessly rechargeable optogenetic device. In mice engineered to express light-sensitive channels in Piezo2+ neurons, targeted stimulation of the L2-3 dorsal root ganglia (DRG) enhances localized CGRP release near the implant. This CGRP elevation activates the Protein Kinase A (PKA)/FAK signaling pathway in bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs), thereby enhancing osteogenesis and improving osseointegration. Here we show that bioelectronic modulation of mechanosensitive nerves offers a strategy to address implant failure, bridging neuroregulation and bone bioengineering.
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