相關論文在北京時間1月3日凌晨發表在世界頂級學術期刊、英國《自然》雜志(Nature)上。

 

　　膀胱過度活動癥在臨床上表現為尿急、尿頻，偶伴有尿失禁。傳統的治療方法是持續進行電刺激，但可能會造成疼痛或脫靶效應。

 

　　這個由美國西北大學、華盛頓大學、麻省理工學院和北京航空航天大學等機構組成的聯合團隊擯棄了直接的電刺激療法，而是選擇了一項新興的生物工具：光遺傳學。即通過編輯細胞中的基因，使它們能夠響應光照的刺激。在這個案例中，被編輯過的膀胱神經細胞會在光照下抑制神經活動。

 

　　為此，科研人員在人為藥物致病的大鼠腹腔中植入了一個LED燈裝置，連接著一個高度敏感的傳感器。傳感器由柔性材料制成，實時監測膀胱周圍的數據，再無線傳輸給外部的記錄儀。

 

　　一旦記錄儀偵察到異常的膀胱信號，比如不必要地頻繁清空膀胱，它就會給大鼠腹中的LED燈發送無線信號，開啟光照。事前經過光遺傳編輯的膀胱神經細胞就會在光照下抑制相應的排尿活動。

 

　　整個植入體內的系統由無線充電裝置提供能源。

柔軟的“閉環系統”

 

　　這在生物工程學上稱為一個“閉環系統”：系統中的輸出信號同樣也是輸入信號，正如大鼠膀胱的體積經傳感器輸出后，又反饋回來被光照調節。

 

　　“閉環系統”在臨床上具有顯著的優勢：光刺激只會在必要的時刻被觸發，提供實時且靶向的治療。

 

　　在實驗中，科研人員向大鼠注射藥物環磷酰胺，引發大鼠的炎癥反應，增加膀胱清空次數。系統檢測到了膀胱的異常情況，通過光照觸發抑制機制，從而恢復正常的排尿頻率。

 

　　大鼠對整套系統耐受良好，植入7天后未觀察到明顯的炎癥、體重改變或運動異常。

 

　　值得一提的是，這項成果整合了多項新興技術才得以實現。其中第一大難點就是制作柔性、延展性能良好的電子器件，以求在不影響器官功能的情況下測量器官變化。此外，無線數據傳輸和無線充電也是光遺傳學工具得以在生物體內大展手腳的關鍵條件。

植入裝置的大鼠

 

　　麻省理工學院醫學工程和科學研究所的羅氏(Ellen T. Roche)在相關評論文章中肯定了這項成果的突破性意義：首次制作出一個能監控并治療特定病癥的穩定“閉環系統”。不過，羅氏提醒道，這個大鼠實驗要想放大復制到人類臨床上，還有一系列問題需要攻克。

 

　　比如，研究中的無線充電裝置是放在大鼠籠子底部的，無法滿足人類的正常活動需要。研究人員手術切開大鼠腹部暴露膀胱后，再注入一種特定病毒對膀胱細胞進行光遺傳學編輯，隨后，又再次手術植入了閉環系統。這樣的重復開刀在人類臨床上并不現實。最后，還要考慮萬一設備故障后，如何進行修復更換的問題。

 

　　植入裝置是否會對大鼠體內器官產生影響，引發周圍組織的炎癥或增生也仍待長期的觀察。

 

　　拋開這些眼下的障礙，羅氏還是對這一類閉環系統進行了美好的展望。現有的實驗已經證實柔性的電子設備能夠讀取體外培養的兔子心臟的物理數據，未來，利用與膀胱傳感器類似的植入式設備，人們或許能實時調節人工心臟輔助設備的活動情況。

 

　　此外，如果柔性傳感器能讀取胃部的形變，并相應地控制神經細胞產生飽腹感，或許能成為一種減肥管理的新方式。