在治疗实践中使用电刺激并不是什么新鲜事物,因为电刺激已被广泛使用,例如在起搏器中用于纠正不规则的心跳。该领域的创新以多种疾病为代表–从糖尿病到骨质疏松症,从自身免疫疾病到肥胖​​,仅举几个例子–将来可能会通过所谓的“生物电子医学”对其进行治疗。电学将是关键,因为它们可能会产生精确剂量的电脉冲,用于调制属于自主神经系统的神经。这种神经的主要代表是迷走神经。

Silvestro Micera,意大利比萨的Scuola Superiore Sant'Anna的神经工程学教授,以及瑞士洛桑的ÉcolePolytechniqueFédérale的转化神经工程学教授
Silvestro Micera,意大利比萨的Scuola Superiore Sant'Anna的神经工程学教授,以及瑞士洛桑的ÉcolePolytechniqueFédérale的转化神经工程学教授

«自治系统的神经网络遍及整个人体,在该系统中,内部各个器官以及内部器官与中枢神经系统相互连接。我们知道许多病理学特征是这些神经的异常活动。电动和生物电子医学的基础思想是在自主神经附近植入电极,以恢复正确的活动,从而改善病理状况»,该大学神经工程学教授Silvestro Micera解释说。 Scuola Superiore Sant’Anna 意大利比萨的翻译神经工程学院 ÉélelePolytechniqueFédérale 在瑞士洛桑。

巨大的潜力

电动设备的研究仍处于早期阶段,主要是临床前阶段,但估计其在临床中的应用潜力巨大。在Sicola Sant'Anna的Micera实验室中进行的最先进的项目看到了“几乎人类”的机器人手的实现,该机器人手能够复制非常接近真实人手的动作。 «我们还与Glaxo SmithKline合作开展了糖尿病研究–告诉Silvestro Micera-。我们也正在解决一些妇科和产科问题,我们在这些领域还处于起步阶段,我们希望在几年内取得一些成果»。

SetPoint Medical是在国际上活跃于该领域的最先进的公司之一;它由费恩斯坦医学研究所主席兼首席执行官凯文·特雷西(Kevin Tracey)和哈佛医学院的肖·沃伦(Shaw Warren)共同创立。该公司于2018年3月宣布开始在男性中进行刺激性迷走神经治疗类风湿关节炎的首个临床试验研究。干预的目标是重新激活患者的自然炎症反射,从而抑制诸如Tnf-α或IL-6等促炎分子的产生(图1)。 Galvani Bioelectronics是另一家成立于2016年的公司,由Gsk和Verily(Google的医疗部门)合资成立,其使命是开发和商业化新的生物电子药物。 Gsk Venture Fund也是SetPoint Medical的投资者之一,还与Medtronic,Boston Scientific和其他资本合作伙伴一起。

Figura 2炎症反射
炎症反射

生物电子药物的公共研究也非常活跃,正如2016年推出的多学科Sparc(刺激周围活动以缓解疾病(美国国家卫生研究院)计划,到2021年总投资2.38亿美元。该计划的目的是更好地了解周围神经的功能以及它们的电信号如何控制器官的功能。

突触级的动作

在实现生物电子设备的大规模开发之前,仍然需要克服许多技术障碍,主要的障碍是需要有效地将设备与大量轴突和中子连接。 «从这个角度来看,用于构建电极的技术仍然是“原始的”–Silvestro Micera解释–例如,残疾人使用的运动皮层电极在最佳情况下可复制数百个神经元,而它们至少应能够记录数十万个神经元。乐队之间存在某种差异。另一个问题是缺乏连续性,信息会随着时间而下降。在过去的二十年中,技术得到了巨大的发展,但是仍然无法产生非常丰富,选择性和高效的连接»。

现在优选的方法是使用直接植入在神经上或非常接近神经的装置,这对患者而言是一种侵入性很大的过程。非侵入性系统的一些例子开始出现,即使根据Micera的说法,它们相对于可植入设备也存在更高的选择性问题。 «就像我想和一个不在房间里的人说话时一样。即使关闭门,我也可以这样做,但是对于可植入设备的选择性可能更高,至少在中期是这样»。

电学作用于单个神经和相应器官系统的水平,因此应用应解决单个病理问题。很难根据特定需求认为系统是“可调的”。即使在非常大的迷走神经水平,也需要与神经的特定部分相互作用,因此很难形成“迷走神经”。一般用途解决方案。始终以对病理所涉及的特定神经系统的理解来代表起点。 «我们需要为这根神经有选择性的,以然后适当地以恢复神经的活动选择仿真参数。一种可能性是研究病理机制,以了解需要什么以及如何提供它。 Silvestro Micera解释说,另一种可能性是使用信息来封闭控制机制:在注册信息的基础上实时更改参数»。

对于ÉcolePolytechnique的教授来说,仍然无法确定电学技术在未来更传统的药物治疗中是否可以完全替代,或者它们是否可以起到补充作用。人工智能还将对电子技术的成功发挥重要作用,例如使系统更高效或实时修改其参数。 «如此收集的信息可以更好地了解信息本身应如何正确使用。这具有深远的影响,因为它可以更好地刻画我们正在做的事情,并针对每个患者进行个性化»,Micera补充道。

风险评估仍有待完全完成

如今,使用电烙铁设备的主要风险与选择生产生物相容性材料有关,而信息技术的安全性仍处于早期开发阶段,因此仍需充分解决信息安全问题。 «从理论上讲,代表电子医疗设备的所有事物都可能遭到黑客入侵,但目前这些系统已经相当安全。我们目前专注于了解这项技术的真正可行性;一旦我们有很多人植入安全问题,就会出现–告诉Silvestro Micera-。扩充目前没有问题,因为我们的表现并不理想。我们迟早会从道德的角度来考虑它,但仍然相距甚远»。距离具体应用可能有多远:旨在支持残疾人的应用可能应该是第一个可用的应用。 «这并不意味着将会有广泛的用途,而是首次临床试验将在几年内开始。 Silvestro Micera的最终预测是,要达到大规模应用,我们至少需要等待十年。

自主神经系统和迷走神经

自主神经系统(也称为植物性或内脏性)到达所有器官和腺体,并且控制身体的所有基本功能,而非自愿功能。神经从大脑和脊髓辐射到所有器官系统。

迷走神经是第十条颅神经(总共12条),其右分支和左分支代表体内较长且分支广泛的颅神经。它们从脑干开始,穿过颈孔和胸腔,最终到达腹部。迷走神经是自主神经系统副交感神经部分的一部分,到达肾上腺以外的所有器官。它负责许多基本过程,即调节心跳和胃肠蠕动,支气管收缩,胆汁产生和出汗。

 

男性的首次审判

SetPoint Medical于2018年3月底宣布开始在美国进行的首项男性临床试验研究。它将集中于使用生物电子设备来治疗包括生物制剂在内的标准疗法难以治疗的类风湿性关节炎。据该公司称,该设备将被植入迷走神经,并将释放预先定量的电量。该研究是由Fda批准的。 研究器械豁免 (同上),并且可以评估该方法的安全性和耐受性。根据SetPoint Medical,它应该包括大约。 15名22-75岁的患者在7个不同的临床中心进行了掩护。

前一个结果 概念证明 在欧洲进行的研究于2016年发表于 nas (//doi.org/10.1073/pnas.1605635113). Eleven of the 17 patients showed an improvement of the 疾病活动评分,以及对常规治疗无效的7例患者中的5例。

(SetPoint Medical)

 

炎症反射

炎症反射是由SetPoint Medical的创始人Kevin Tracey于2000年发现的。它由神经生理作用组成,根据这种作用,由炎症过程,感觉或组织损伤产生的信号被发送到中枢神经系统。详细说明信号后,CNS通过迷走神经将其反馈发送到肌肉和器官。去甲肾上腺素是该过程的关键神经递质,因为它激活脾脏中的T细胞。然后这些细胞释放出乙腈胆碱,后者是另一种神经递质,作用于脾脏产生的单核细胞和巨噬细胞,并参与降低炎症相关分子的水平,例如 肿瘤坏死因子αIL-6.

迷走神经含有约。 10万根神经纤维到达不同器官。根据 性质 (doi:10.1038 / 545020a),重新激活神经反应所需的电量在不同的神经纤维之间最多可变化50倍。使炎症过程失活所需的电量比用于治疗癫痫的电量低八倍。另一个优点由以下事实表示,即一次放电可以抑制促炎性细胞因子的产生长达24小时。

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