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尿急尿频尿不尽有了新疗法:基因编辑+LED照射

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如果柔性传感器能读取胃部的形变,并相应地控制神经细胞产生饱腹感,或许能成为一种减肥管理的新方式。

中美科研人员通过在大鼠体内植入光刺激装置,让尿频尿急的大鼠恢复了正常的膀胱功能。这项研究展示了一种临床治疗的新系统,未来有望拓展到心脏辅助、体重管理领域。

相关论文在北京时间1月3日凌晨发表在世界顶级学术期刊、英国《自然》杂志(Nature)上。

膀胱过度活动症在临床上表现为尿急、尿频,偶伴有尿失禁。传统的治疗方法是持续进行电刺激,但可能会造成疼痛或脱靶效应。

这个由美国西北大学、华盛顿大学、麻省理工学院和北京航空航天大学等机构组成的联合团队摈弃了直接的电刺激疗法,而是选择了一项新兴的生物工具:光遗传学。即通过编辑细胞中的基因,使它们能够响应光照的刺激。在这个案例中,被编辑过的膀胱神经细胞会在光照下抑制神经活动。

为此,科研人员在人为药物致病的大鼠腹腔中植入了一个LED灯装置,连接着一个高度敏感的传感器。传感器由柔性材料制成,实时监测膀胱周围的数据,再无线传输给外部的记录仪。

一旦记录仪侦察到异常的膀胱信号,比如不必要地频繁清空膀胱,它就会给大鼠腹中的LED灯发送无线信号,开启光照。事前经过光遗传编辑的膀胱神经细胞就会在光照下抑制相应的排尿活动。

整个植入体内的系统由无线充电装置提供能源。

尿急尿频尿不尽有了新疗法:基因编辑+LED照射

柔软的“闭环系统”

这在生物工程学上称为一个“闭环系统”:系统中的输出信号同样也是输入信号,正如大鼠膀胱的体积经传感器输出后,又反馈回来被光照调节。

“闭环系统”在临床上具有显著的优势:光刺激只会在必要的时刻被触发,提供实时且靶向的治疗。

在实验中,科研人员向大鼠注射药物环磷酰胺,引发大鼠的炎症反应,增加膀胱清空次数。系统检测到了膀胱的异常情况,通过光照触发抑制机制,从而恢复正常的排尿频率。

大鼠对整套系统耐受良好,植入7天后未观察到明显的炎症、体重改变或运动异常。

值得一提的是,这项成果整合了多项新兴技术才得以实现。其中第一大难点就是制作柔性、延展性能良好的电子器件,以求在不影响器官功能的情况下测量器官变化。此外,无线数据传输和无线充电也是光遗传学工具得以在生物体内大展手脚的关键条件。

尿急尿频尿不尽有了新疗法:基因编辑+LED照射

植入装置的大鼠

麻省理工学院医学工程和科学研究所的罗氏(Ellen T. Roche)在相关评论文章中肯定了这项成果的突破性意义:首次制作出一个能监控并治疗特定病症的稳定“闭环系统”。不过,罗氏提醒道,这个大鼠实验要想放大复制到人类临床上,还有一系列问题需要攻克。

比如,研究中的无线充电装置是放在大鼠笼子底部的,无法满足人类的正常活动需要。研究人员手术切开大鼠腹部暴露膀胱后,再注入一种特定病毒对膀胱细胞进行光遗传学编辑,随后,又再次手术植入了闭环系统。这样的重复开刀在人类临床上并不现实。最后,还要考虑万一设备故障后,如何进行修复更换的问题。

植入装置是否会对大鼠体内器官产生影响,引发周围组织的炎症或增生也仍待长期的观察。

抛开这些眼下的障碍,罗氏还是对这一类闭环系统进行了美好的展望。现有的实验已经证实柔性的电子设备能够读取体外培养的兔子心脏的物理数据,未来,利用与膀胱传感器类似的植入式设备,人们或许能实时调节人工心脏辅助设备的活动情况。

此外,如果柔性传感器能读取胃部的形变,并相应地控制神经细胞产生饱腹感,或许能成为一种减肥管理的新方式。

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