“生物混合”设备可以恢复瘫痪肢体的功能

研究人员开发了一种新型的神经植入物，可以为截肢者和其他失去手臂或腿的人恢复肢体功能。

在一项在老鼠身上进行的研究中，剑桥大学的研究人员使用该设备来改善大脑和瘫痪四肢之间的连接。该设备结合了灵活的电子和人类干细胞身体是“可重新编程的”主细胞-更好地与神经结合并驱动肢体功能。

以前使用神经植入物来恢复肢体功能的尝试大多以失败告终疤痕组织随着时间的推移，会在电极周围形成，阻碍设备和神经之间的连接。通过夹进一层肌肉细胞干细胞在电极和活组织研究人员发现，该设备与宿主的身体融为一体，并阻止了疤痕组织的形成。在为期28天的实验中，细胞在电极上存活了下来，这是第一次在如此长时间内被监测到。

研究人员说，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，他们可以克服两种方法的缺点，提高功能和灵敏度。

虽然在用于人体之前还需要进行广泛的研究和测试，但该设备对于截肢者或四肢失去功能的人来说是一项有前途的发展。研究结果发表在该杂志上科学的进步．

当试图逆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，如果有人被截肢了一只胳膊或一条腿，大脑中的所有信号都会神经系统这项研究的联合负责人、剑桥大学临床神经科学系的达米亚诺·巴龙博士说:“尽管肢体已经消失，但它们仍然存在。”“整合假肢或恢复手臂或腿部功能的挑战是，从神经中提取信息并将其传递到肢体，以便恢复功能。”

解决这个问题的一种方法是在肩膀的大肌肉中植入神经，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的信息。为了提高灵敏度，研究人员想要设计一种可以在单个神经纤维或轴突尺度上工作的东西。

“轴突本身有一个很小的电压，”巴隆说。“但一旦它与肌肉细胞连接，肌肉细胞的电压要高得多，肌肉细胞的信号就更容易提取出来。这就是你可以提高植入物敏感度的地方。”

研究人员设计了一种生物兼容的柔性电子设备，它足够薄，可以连接到神经的末端。然后将一层被重新编程为肌肉细胞的干细胞放置在电极上。这是第一次将这种被称为诱导多能干细胞的干细胞以这种方式应用于活体。

“这些细胞给了我们很大程度的控制，”巴隆说。“我们可以告诉它们如何表现，并在整个实验过程中对它们进行检查。通过将细胞放在电子设备和活体之间，人体看不到电极，只看到细胞，所以不会产生疤痕组织。”

剑桥生物杂交装置被植入老鼠瘫痪的前臂。这些干细胞在植入前已经转化为肌肉细胞，与大鼠前臂的神经结合在一起。虽然老鼠的前臂没有恢复运动，但该设备能够接收到来自大脑的控制运动的信号。如果连接到其余的神经或者假肢在美国，该设备可以帮助恢复运动。

细胞层还改善了设备的功能，通过提高分辨率和允许长期监测内部生物体．这些细胞在为期28天的实验中存活了下来:这是细胞首次在这种延长的实验中存活下来。

研究人员说，他们的方法比其他试图恢复截肢者功能的方法有很多优势。除了易于集成和长期稳定性外，该设备足够小，植入只需要钥匙孔手术。其他用于截肢者功能恢复的神经接口技术需要复杂的患者特定的皮层活动解释，以与肌肉运动相关，而剑桥大学开发的设备是一个高度可扩展的解决方案，因为它使用“现成的”细胞。

研究人员说，除了有可能让失去肢体的人恢复功能外，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。

“这种界面可能会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艾米·罗奇福德(Amy Rochford)说。“通过将活的人类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和直观的方式与大脑交流的系统，为义肢开辟了新的可能性，脑机接口甚至可以增强认知能力。”

“这项技术代表了一种令人兴奋的神经植入的新方法，我们希望能为有需要的患者开启新的治疗方法，”同样来自工程系的共同第一作者亚历杭德罗·卡尼塞-隆巴特博士说。

“这是一项高风险的尝试，但我很高兴它成功了，”剑桥大学工程系的乔治·马利亚拉斯教授说，他是这项研究的联合负责人。“这是一件你不知道需要两年还是十年才能奏效的事情，但它最终非常有效地发生了。”

研究人员目前正在进一步优化设备，提高其可扩展性。团队已经提交了专利申请在剑桥大学的技术转让部门剑桥企业的支持下，

该技术依赖于opti-oxTM启用肌肉细胞．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，使它们能够持续大规模地制造。实验中使用的opti-ox激活的肌肉iPSC细胞系由剑桥大学的Kotter实验室提供。opti-ox重编程技术属于合成生物学公司bit.bio。