给膀胱装个灯就能控制嘘嘘?登上《自然》的是什么“黑科技”

▎学术经纬/报道

近日发表于顶尖学术期刊《自然》的一项工作中,由神经科学家与材料工程师联合组成的研究团队,开发出了一种微型植入式设备。初看之下,它非常神奇——给膀胱装个灯,就能控制大鼠的神经活动,帮助动物恢复膀胱功能

这项研究的目的,是为遭受膀胱过度活动症(OAB)等疾病的人带来希望。膀胱过度活动症并不罕见,例如在美国有六分之一的人口受到相关症状的影响。中国的相关数据显示,40岁以上人群中每10人就有超过1人患膀胱过度活动症。膀胱过度活动的后果是膀胱在胀满之前便开始收缩,让人难以抑制地想要排尿。患者常常感到尿急,急切需要上厕所,甚至在去厕所的半途发生漏尿。这些症状给很多患者带来窘迫、焦虑、抑郁等心理障碍,并对社交、工作和个人生活造成限制,严重影响生活质量。

膀胱过度活动症、尿失禁、膀胱疼痛综合征等膀胱障碍给患者造成身心痛苦(图片来源:Pixabay)

科学家们一直希望可以发展出长期控制膀胱的有效方法,但传统的电刺激调节技术有很多局限,比如连续刺激可能让患者感到不舒服和疼痛,或是干扰神经向其他器官发送的信号。“神经刺激无疑是有帮助的,但是过去的设备因为特异性不够,还是会有一些脱靶作用。”这项研究的负责人之一、华盛顿大学医学院的麻醉学教授Robert Gereau博士说。

现在,Gereau教授与研究团队开发的新设备希望避免这类不良作用。

研究人员想到了利用光遗传技术来特异性地控制动物的神经活动。他们向动物膀胱内“引入”对光信号敏感的视蛋白。借助病毒载体,这些视蛋白得以在神经细胞中表达,使神经细胞的活动能够被光信号开关所控制。

研究人员给动物的膀胱套上一个柔软、有弹性的应变计,它可以随着膀胱的充盈和排空而拉伸或收缩。同时植入的还有一对微型无机发光二极管(μ-ILED),用来直接照射膀胱,进行光控制。这套系统使用蓝牙通信向外部的手持设备发送信号,研究者可以实时读取数据,并对数据进行储存和分析,使用简单的算法来检测膀胱何时充满,何时排空,以及动物是不是尿频。

植入设备由五个关联部分组成:一个柔软、有弹性的应变计,一对用来给光的微型无机发光二极管(μ-ILED),一片薄薄的基站用于双向通信和无线操控,提供电力的单元,以及装在手持设备上的用户软件(图片来源:参考资料[1])

“如果检测到膀胱频繁排空,外部设备就会发出信号,激活体内的微型LED,给膀胱的感觉神经元打光。”研究人员解释说,“接收到光信号后,感觉神经元的活动会减弱,恢复膀胱正常功能。”

这套闭环操作系统只有在检测到排尿问题时才提供光刺激,当生物体表现正常时,微型LED会关掉,停止刺激。(图片来源:参考资料[1])

研究团队在膀胱功能障碍的雌性大鼠体内植入了这种设备,来观察其效果。植入后的7天内,动物没有明显炎症反应或体重/运动变化,说明植入设备没有给动物带来可见的身心伤害。药物诱导大鼠出现排尿问题后,该系统能够实时自动识别出病理类型,并触发LED刺激膀胱神经做出反应,使大鼠恢复正常的膀胱功能。

▲这张CT图显示了大鼠膀胱处植入的新型刺激系统(图片来源:参考资料[1])

在实验动物身上获得的测试效果为将来应用于人类带来了希望。研究人员认为,把设备适当按比例放大,类似的系统也可以在人的身上发挥作用。长期来看,这项技术原理或许还可以带来更广泛的生物学应用,比如利用光信号刺激胰腺分泌胰岛素,刺激脊髓神经治疗慢性疼痛,等等。

在充满赛博朋克气息的科幻世界里,人类和机械完美地融合为一体,增强自身的机能。本次的研究成果则向我们表明,科幻成为现实的那一天,或许离我们已经不远了。

 

参考资料

[1] Aaron D. Mickle, et al. (2019), Awireless closed-loop system for optogenetic peripheral neuromodulation. Nature.DOI:10.1038/s41586-018-0823-6

[2] Tiny, implantable device uses light to treat bladder problems, Retrieved January 3, 2019, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-01/wuso-tid122818.php

 

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