中美科研人員通過在大鼠體內(nèi)植入光刺激裝置，讓尿頻、尿急的大鼠恢復(fù)了正常的膀胱功能。這項(xiàng)研究展示了一種臨床治療的新系統(tǒng)，未來有望拓展到心臟輔助、體重管理領(lǐng)域。
相關(guān)論文在北京時(shí)間1月3日凌晨發(fā)表在世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊、英國(guó)《自然》雜志(Nature)上。
膀胱過度活動(dòng)癥在臨床上表現(xiàn)為尿急、尿頻，偶伴有尿失禁。傳統(tǒng)的治療方法是持續(xù)進(jìn)行電刺激，但可能會(huì)造成疼痛或脫靶效應(yīng)。
這個(gè)由美國(guó)西北大學(xué)、華盛頓大學(xué)、麻省理工學(xué)院和北京航空航天大學(xué)等機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)擯棄了直接的電刺激療法，而是選擇了一項(xiàng)新興的生物工具：光遺傳學(xué)。即通過編輯細(xì)胞中的基因，使它們能夠響應(yīng)光照的刺激。在這個(gè)案例中，被編輯過的膀胱神經(jīng)細(xì)胞會(huì)在光照下抑制神經(jīng)活動(dòng)。
為此，科研人員在人為藥物致病的大鼠腹腔中植入了一個(gè)LED燈裝置，連接著一個(gè)高度敏感的傳感器。傳感器由柔性材料制成，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)膀胱周圍的數(shù)據(jù)，再無線傳輸給外部的記錄儀。
一旦記錄儀偵察到異常的膀胱信號(hào)，比如不必要地頻繁清空膀胱，它就會(huì)給大鼠腹中的LED燈發(fā)送無線信號(hào)，開啟光照。事前經(jīng)過光遺傳編輯的膀胱神經(jīng)細(xì)胞就會(huì)在光照下抑制相應(yīng)的排尿活動(dòng)。
整個(gè)植入體內(nèi)的系統(tǒng)由無線充電裝置提供能源。
柔軟的“閉環(huán)系統(tǒng)”
這在生物工程學(xué)上稱為一個(gè)“閉環(huán)系統(tǒng)”：系統(tǒng)中的輸出信號(hào)同樣也是輸入信號(hào)，正如大鼠膀胱的體積經(jīng)傳感器輸出后，又反饋回來被光照調(diào)節(jié)。
“閉環(huán)系統(tǒng)”在臨床上具有顯著的優(yōu)勢(shì)：光刺激只會(huì)在必要的時(shí)刻被觸發(fā)，提供實(shí)時(shí)且靶向的治療。
在實(shí)驗(yàn)中，科研人員向大鼠注射藥物環(huán)磷酰胺，引發(fā)大鼠的炎癥反應(yīng)，增加膀胱清空次數(shù)。系統(tǒng)檢測(cè)到了膀胱的異常情況，通過光照觸發(fā)抑制機(jī)制，從而恢復(fù)正常的排尿頻率。
大鼠對(duì)整套系統(tǒng)耐受良好，植入7天后未觀察到明顯的炎癥、體重改變或運(yùn)動(dòng)異常。
值得一提的是，這項(xiàng)成果整合了多項(xiàng)新興技術(shù)才得以實(shí)現(xiàn)。其中第一大難點(diǎn)就是制作柔性、延展性能良好的電子器件，以求在不影響器官功能的情況下測(cè)量器官變化。此外，無線數(shù)據(jù)傳輸和無線充電也是光遺傳學(xué)工具得以在生物體內(nèi)大展手腳的關(guān)鍵條件。
植入裝置的大鼠
麻省理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程和科學(xué)研究所的羅氏(Ellen T. Roche)在相關(guān)評(píng)論文章中肯定了這項(xiàng)成果的突破性意義：首次制作出一個(gè)能監(jiān)控并治療特定病癥的穩(wěn)定“閉環(huán)系統(tǒng)”。不過，羅氏提醒道，這個(gè)大鼠實(shí)驗(yàn)要想放大復(fù)制到人類臨床上，還有一系列問題需要攻克。
比如，研究中的無線充電裝置是放在大鼠籠子底部的，無法滿足人類的正?；顒?dòng)需要。研究人員手術(shù)切開大鼠腹部暴露膀胱后，再注入一種特定病毒對(duì)膀胱細(xì)胞進(jìn)行光遺傳學(xué)編輯，隨后，又再次手術(shù)植入了閉環(huán)系統(tǒng)。這樣的重復(fù)開刀在人類臨床上并不現(xiàn)實(shí)。最后，還要考慮萬一設(shè)備故障后，如何進(jìn)行修復(fù)更換的問題。
植入裝置是否會(huì)對(duì)大鼠體內(nèi)器官產(chǎn)生影響，引發(fā)周圍組織的炎癥或增生也仍待長(zhǎng)期的觀察。
拋開這些眼下的障礙，羅氏還是對(duì)這一類閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了美好的展望?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)柔性的電子設(shè)備能夠讀取體外培養(yǎng)的兔子心臟的物理數(shù)據(jù)，未來，利用與膀胱傳感器類似的植入式設(shè)備，人們或許能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)人工心臟輔助設(shè)備的活動(dòng)情況。
此外，如果柔性傳感器能讀取胃部的形變，并相應(yīng)地控制神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生飽腹感，或許能成為一種減肥管理的新方式。
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