劍橋大學的研究人員開發(fā)了一種新的神經(jīng)植入物，它結(jié)合了干細胞和電子學，有可能幫助截肢者或那些失去肢體使用能力的人。植入式神經(jīng)技術和細胞療法的發(fā)展為周圍神經(jīng)系統(tǒng)（即位于大腦和脊髓之外的神經(jīng)）受傷的人提供了潛在的有效治療方案。
兩者都試圖通過繞過受傷部位與現(xiàn)有的神經(jīng)細胞相互作用，或通過用新的細胞替換受損的細胞，來恢復癱瘓或截肢的功能。然而，這也是有缺點的。就替換受損細胞而言，移植的神經(jīng)元可能難以建立功能連接。如果沒有健康的工作細胞與之對接，電極就不能有效地工作，這通常是受傷部位的疤痕組織堆積造成的。此外，目前的神經(jīng)技術缺乏與負責執(zhí)行不同功能的不同類型神經(jīng)元對接的能力。
這些問題的一個潛在答案在于生物混合裝置，它將人類干細胞與生物電子學結(jié)合起來，創(chuàng)造一個更有效的神經(jīng)接口。現(xiàn)在，劍橋大學的研究人員已經(jīng)做到了這一點，創(chuàng)造了一個突破性的新生物混合裝置，可以與身體組織整合。
該設備的關鍵成分是誘導多能干細胞（iPSCs），即成人細胞——通常是皮膚或血細胞——在實驗室中被重新編程，變得像胚胎干細胞，可以發(fā)育成任何其他類型的細胞。研究人員用iPSCs創(chuàng)建了肌細胞，即構成骨骼肌的細胞。這是第一次以這種方式將iPSCs用于生物體內(nèi)。
iPSCs被排列在微電極陣列（MEAs）的網(wǎng)格中，該陣列非常薄，可以吸附在神經(jīng)末端。這產(chǎn)生了一層肌細胞，位于設備的電極和活體組織之間。研究人員隨后將生物混合裝置植入大鼠體內(nèi)進行測試。他們將該設備覆蓋細胞的一側(cè)連接到大鼠前腿中被切斷的尺神經(jīng)和正中神經(jīng)。選擇這些神經(jīng)是因為它們與人類上肢神經(jīng)的損傷以及相關的精細運動和感覺功能的喪失相近。
與對照組相比，研究人員發(fā)現(xiàn)，該裝置與大鼠的身體融為一體，并防止了疤痕組織的形成。此外，iPSC衍生的細胞在植入后存活了四周，這是細胞首次在這種長時間的實驗中存活。
該研究的共同作者Damiano Barone說：“這些細胞給了我們很大程度的控制能力。我們可以告訴它們?nèi)绾伪憩F(xiàn)，并在整個實驗過程中檢查它們。通過將細胞置于電子設備和活體之間，身體看不到電極，只看到細胞，所以不會產(chǎn)生疤痕組織。”
四個星期后，研究人員對植入的神經(jīng)進行了測試，發(fā)現(xiàn)它們的行為與正常的神經(jīng)一樣，表明了健康的神經(jīng)生理學。雖然大鼠沒有恢復癱瘓肢體的運動，但該設備可以檢測到大腦發(fā)送的控制運動的信號。
這種新設備可以幫助截肢者，其中的挑戰(zhàn)是試圖使神經(jīng)元再生，并重建因受傷或截肢而造成的神經(jīng)回路損傷。
Barone說：“例如，有人被截去了手臂或腿部，那么神經(jīng)系統(tǒng)中的所有信號仍然存在，盡管物理上的肢體已經(jīng)消失。整合假肢或恢復手臂或腿部的功能，所面臨的挑戰(zhàn)是從神經(jīng)中提取信息，并將其送到肢體上，以便恢復功能。”
研究人員說他們的設備可以通過與控制運動功能的神經(jīng)元直接互動來克服這個問題。
共同第一作者Amy Rochford說：“這種界面可以徹底改變我們與技術互動的方式。通過將活體人體細胞與生物電子材料相結(jié)合，我們創(chuàng)造了一個能夠以更自然和直觀的方式與大腦溝通的系統(tǒng)。”
與標準的、非干細胞的神經(jīng)植入物相比，該設備具有優(yōu)勢。它的小尺寸意味著它可以通過微創(chuàng)手術進行植入，而使用實驗室生產(chǎn)的干細胞使其具有高度的可擴展性。
該研究的共同第一作者Alejandro Carnicer-Lombarte說：“這項技術代表了一種令人興奮的神經(jīng)植入新方法，我們希望它將為有需要的患者開啟新的治療方法。”
該設備在用于人體之前還需要進一步的研究和廣泛的測試，但它代表了神經(jīng)植入的一個有希望的發(fā)展。研究人員正在努力優(yōu)化該設備并提高其可擴展性。
