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近年来，无论是以疾病治疗为目的的电子植入物，亦或是大胆前卫的脑机接口，神经系统植入物以其强大的治疗功效、充满科幻色彩的应用前景受到了人们的普遍关注。 然而，对于所有的植入性设备而言，生物相容性始终是一个无法规避且具有挑战性的难题。其中，神经系统植入物的使用在很大程度上会对植入位置周围的神经系统造成损伤，而神经元细胞又无法再生，由此引发的一系列问题对相关设备的应用提出了巨大挑战。 日前，来自英国剑桥大学的一组研究人员将柔性电子设备与人类干细胞技术结合起来，开发了一种创新的生物混合神经植入物。其设备在为截肢者和瘫痪患者恢复肢体功能的同时，使用来自诱导多能干细胞（iPSC）的肌肉细胞来防止植入物周围形成疤痕组织，从而更有利于组织整合以及提高设备灵敏度。该研究论文 Functional neurological restoration of amputated peripheral nerve using biohybrid regenerative bioelectronics 已发表于 Science Advances 期刊。 （来源：Science Advances） “开发具有卓越生物相容性并且能够与神经组织发生整合的植入设备，对于治疗和恢复神经系统功能等至关重要。该方法有利于提高神经元传输至植入物上的信号。”研究团队介绍，通过将 iPSC 细胞重编程技术与柔性电子材料结合起来，新的生物混合神经植入物在大鼠模型中已经展示出显著的神经细胞整合与信号增强特性，其将有望为截肢和瘫痪患者群体带来潜在的治疗前景。 干细胞+柔性电子，促进植入物周围的神经再生迄今为止，神经植入物在研究与产业化应用进程中仍然面临重重阻碍。其中一个问题便是随着时间的推移，植入物周围将会不可避免地形成疤痕组织。 疤痕的存在并不仅仅是影响美观，更重要的问题在于这些疤痕将会对神经植入物的性能造成严重影响。简单来说，神经植入物的职责之一在于将来自于神经元的输入信号映射到植入物上，然后再通过一系列分析等给予反馈。然而，在周围神经组织受损的情况下，健康的工作细胞被疤痕组织分隔开来，无法与植入物直接连接。这将导致植入物的灵敏度、传输信号等大打折扣，甚至无法工作。 除此之外，当前的神经技术研究领域缺乏适用于不同神经元亚型的特异性接口，因此，来自于英国剑桥大学的研究团队结合新材料技术，试图开发出个性化的电子植入设备以解决上述问题。 具体而言，研究团队使用诱导多能干细胞衍生的人类骨骼肌细胞与柔性电子设备相结合，也就是在柔性电子设备上铺设了一层干细胞。首先，在基于聚对二甲苯的微电极阵列（MEA）上培养 iPSC，然后将之诱导重编程，最后将发育成熟的生物混合装置植入模型大鼠体内。  ▲图丨生物混合外周神经接口（来源：Science Advances） 在此之后，研究者对于该生物混合设备控制疤痕的能力进行了考察。他们将设备固定在背阔肌上方的皮下组织中，并且让其穿过前臂神经束，而截断该类神经将引起上肢神经损伤。观察发现，在完成植入缝合后的四周时间之内，设备表面的 iPSC 衍生细胞依然存活，并且紧密地粘附在设备上。 通过观测植入设备的电信号发现，在植入后的第三周、特别是到第四周时，设备信号的振幅、信噪比显著增强。考虑到神经元的轴突再生通常在受伤后第 4 天左右开始，研究者认为，设备信号幅度的增强与神经元轴突再生的预期时间线相符。也就是说，该生物混合设备能够与周围组织实现整合，从而具有高质量的信号传输性能。  ▲图丨生物混合设备的神经电记录在植入后四周内逐渐增强，与神经再生时间线相符（来源：Science Advances） 与此前无细胞的标准神经接口设备相比，生物混合材料的神经接口具有更加卓越的电生理学特性和组织整合能力。研究者认为，本次研究中将其连接至前臂神经束仅仅是一次尝试，如果将其连接至其它类型的神经或假肢上，该设备将为那些瘫痪患者带来福音。总的来说，该技术或将为开发下一代的生物混合材料假肢以及治疗神经系统疾病等提供广泛前景。 重编程技术公司已经试水，新型植入物准备进入商业化阶段 目前，这种基于生物混合材料的植入物仅在大鼠模型中完成了初步验证，尚未在人体中开展测试。不过，该研究团队已经为该设备提交了专利申请，并且剑桥大学的全资附属公司 Cambridge Enterprise 正在准备开展相关的商业化工作。 另一方面，生物混合材料植入物的研发团队正在努力提高设备的可扩展性并继续优化其功能。该团队表示，“这种植入设备体积小巧，只需进行锁孔微创手术即可完成植入，其可扩展性与其他神经接口技术相比具有显著优势。” 同样值得关注的是，本次研究中所使用的 opti-ox 重编程细胞来自于剑桥大学 Mark Kotter 团队。Mark Kotter 的研究重点为再生医学和脊髓损伤，基于他的研究现已推出了两家衍生公司：其一为近期颇受关注的人造肉初创公司 Meatable，另一家则为专注于细胞重编程的合成生物学公司 Bit.bio。  ▲图丨Mark Kotter（来源：剑桥大学） 自 2016 年成立以来，Bit.bio 旨在通过精确的细胞重编程技术，实现一致性高、大规模的细胞制造。为此，该公司开发了名为 opti-ox 的优化重编程系统，该系统能够精确控制转录因子的表达，大大缩短 iPSC 细胞分化所需的时间。据该公司表示，其能够在几天之内完成数百万个干细胞的定向重编程工作，而传统方法可能需要 3-20 周才能完成这些工作。 2021 年 11 月，Bit.bio 在其 B 系列融资中筹集了 1.03 亿美元资金，其投资方包括了 Arch Ventures、Charles River Laboratories、Foresite Capital、National Resilience、Metaplanet、普华资本和腾讯。截至目前，该公司累计融资达 1.45 亿美元。 总体而言，新型的生物混合植入设备将两种先进的神经再生技术——即细胞疗法和柔性电子材料结合到一个设备中，从而克服了两种方法各自的缺点，并且增强了设备的灵敏度等性能。该方式能够以更直接、更高效的方式与大脑信号产生交流，为假肢、脑机接口甚至神经系统疾病的治疗开辟了更多可能。 免责声明：本文旨在传递生物医药最新讯息，不代表平台立场，不构成任何投资意见和建议，以官方/公司公告为准。本文也不是治疗方案推荐，如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。 |
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