“生物混合”装置可以恢复瘫痪肢体的功能

研究人员开发出一种新型神经植入物，可以为截肢者和其他失去四肢或四肢功能的人恢复肢体功能。

在对老鼠进行的一项研究中，剑桥大学的研究人员使用该设备来改善大脑与瘫痪肢体之间的联系。该设备结合了柔性电子设备和人体干细胞——身体的“可重新编程”主细胞——以更好地整合神经和驱动肢体功能。

之前使用神经植入物恢复肢体功能的尝试大多以失败告终，因为随着时间的推移，疤痕组织往往会在电极周围形成，阻碍设备与神经之间的连接。通过在电极和活体组织之间夹入一层由干细胞重新编程的肌肉细胞，研究人员发现该装置与宿主身体结合并防止了疤痕组织的形成。在为期 28 天的实验期间，细胞在电极上存活，这是第一次在如此长的时间内对其进行监测。

研究人员表示，通过将两种先进的神经再生疗法——细胞疗法和生物电子学——结合到一个设备中，他们可以克服这两种方法的缺点，提高功能和灵敏度。

虽然在将其用于人类之前需要进行广泛的研究和测试，但该设备对于截肢者或失去肢体功能的人来说是一个很有前途的发展。

试图扭转导致肢体丧失或肢体功能丧失的损伤时，一个巨大的挑战是神经元无法再生和重建受损的神经回路。

“例如，如果某人的一只胳膊或一条腿被截肢，即使肢体已经消失，神经系统中的所有信号仍然存在，”剑桥临床神经科学系的 Damiano Barone 博士说，他是共同领导这个调查。“整合假肢或恢复手臂或腿部功能的挑战在于从神经中提取信息并将其传递到肢体以恢复功能。”

解决这个问题的一种方法是在肩部的大块肌肉中植入神经并在其上连接电极。这种方法的问题是电极周围会形成疤痕组织，而且只能从电极中提取表面信息。

为了获得更好的分辨率，任何用于恢复功能的植入物都需要从电极中提取更多信息。为了提高灵敏度，研究人员想要设计一些可以在单个神经纤维或轴突的规模上工作的东西。

“轴突本身有一个微小的电压，”Barone 说。“但是一旦它与具有更高电压的肌肉细胞连接，来自肌肉细胞的信号就更容易提取。这就是你可以提高植入物灵敏度的地方。”

研究人员设计了一种生物相容的柔性电子设备，它足够薄，可以附着在神经末端。然后将一层重新编程为肌肉细胞的干细胞放置在电极上。这是第一次以这种方式将这种被称为诱导多能干细胞的干细胞用于生物体。

“这些细胞给了我们很大程度的控制权，”Barone 说。“我们可以告诉他们如何在整个实验过程中表现并检查他们。通过将细胞放在电子设备和活体之间，身体看不到电极，它只看到细胞，因此不会产生疤痕组织”

剑桥生物混合装置被植入大鼠瘫痪的前臂。这些干细胞在植入前已转化为肌肉细胞，并与大鼠前臂的神经整合在一起。虽然老鼠的前臂没有恢复运动，但该装置能够从大脑中接收到控制运动的信号。如果连接到神经的其余部分或假肢，该装置可以帮助恢复运动。

细胞层还通过提高分辨率和允许在活生物体内部进行长期监测来改善设备的功能。这些细胞在 28 天的实验中存活下来：这是第一次证明细胞在此类延长实验中存活下来。

研究人员表示，与其他恢复截肢者功能的尝试相比，他们的方法具有多重优势。除了更容易集成和长期稳定性外，该设备足够小，只需进行锁孔手术即可植入。其他用于恢复截肢者功能的神经接口技术需要复杂的患者特定的皮质活动解释与肌肉运动相关联，而剑桥开发的设备是一种高度可扩展的解决方案，因为它使用“现成”的细胞。

研究人员表示，除了可以帮助失去肢体功能的人恢复功能外，他们的设备还可以通过与负责运动控制的特定轴突相互作用来控制假肢。

“这种界面可以彻底改变我们与技术互动的方式，”来自工程系的共同第一作者 Amy Rochford 说。“通过将活的人体细胞与生物电子材料相结合，我们创造了一个可以以更自然、更直观的方式与大脑交流的系统，为假肢、脑机接口甚至增强认知能力 开辟了新的可能性。”

“这项技术代表了一种令人兴奋的神经植入新方法，我们希望它能为有需要的患者开启新的治疗方法，”共同第一作者、同样来自工程系的 Alejandro Carnicer-Lombarte 博士说。

“这是一项高风险的尝试，我很高兴它奏效了，”共同领导这项研究的剑桥大学工程系教授乔治·马利亚拉斯 (George Malliaras) 说。“这是你不知道需要两年还是十年才能奏效的事情之一，但它最终非常有效地发生了。”

研究人员现在正致力于进一步优化设备并提高其可扩展性。在该大学的技术转让机构剑桥企业的支持下， 该团队已就该技术提交了专利申请。

该技术依赖于启用 opti-oxTM 的肌肉细胞。opti-ox 是一种精确的细胞重编程技术，能够在细胞中忠实地执行遗传程序，从而使它们能够持续大规模生产。实验中使用的 opti-ox 使能肌肉 iPSC 细胞系由剑桥大学的 Kotter 实验室提供。opti-ox 重编程技术归合成生物学公司 bit.bio 所有。