生物混合装置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，可以恢复截肢者和其他失去手臂或腿部的人的肢体功能。

在对大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和瘫痪肢体之间的联系。该设备结合了柔性电子设备和人类干细胞 - 人体的“可重新编程”主细胞 - 以更好地与神经和驱动肢体功能整合。

以前使用神经植入物恢复肢体功能的尝试大多失败，因为随着时间的推移，电极周围往往会形成疤痕组织，阻碍装置和神经之间的连接。通过将一层从干细胞重新编程的肌肉细胞夹在电极和活组织之间，研究人员发现，该装置与宿主身体的整合和疤痕组织的形成被阻止。在28天的实验期间，细胞在电极上存活，这是第一次在这么长时间内监测。

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有前途的发展。研究结果发表在《科学进展》杂志上。

在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被破坏的神经回路。

“例如，如果某人的手臂或腿被截肢，神经系统中的所有信号仍然存在，即使物理肢体消失了，”剑桥临床神经科学系的Damiano Barone博士说。“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形成疤痕组织，而且只能从电极中提取表面水平的信息。

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，研究人员希望设计出可以在单个神经纤维或轴突规模上工作的东西。

“轴突本身有一个很小的电压，”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，其厚度足以附着在神经末端。然后将一层干细胞重新编程为肌肉细胞，放置在电极上。这是这种类型的干细胞，称为诱导多能干细胞，首次以这种方式用于生物体。

“这些细胞给了我们很大程度的控制，”Barone说。“我们可以告诉他们如何表现，并在整个实验过程中检查他们。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。干细胞在植入前已转化为肌肉细胞，与大鼠前臂的神经整合在一起。虽然大鼠的前臂没有恢复运动，但该设备能够从大脑中获取控制运动的信号。如果连接到神经的其余部分或假肢，该设备可以帮助恢复运动。

细胞层还通过提高分辨率并允许在生物体内进行长期监测来改善设备的功能。这些细胞在为期28天的实验中幸存下来：这是细胞首次被证明可以在这种扩展实验中存活下来。

研究人员说，与其他恢复截肢者功能的尝试相比，他们的方法具有多种优势。除了易于集成和长期稳定性外，该设备还足够小，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异性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”细胞。

除了恢复失去肢体或四肢功能的人的功能的潜力外，研究人员表示，他们的设备还可用于通过与负责运动控制的特定轴突相互作用来控制假肢。

“这个界面可以彻底改变我们与技术互动的方式，”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，我们创建了一个能够以更自然和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物新方法，我们希望这将为有需要的患者解锁新的治疗方法，”共同第一作者，同样来自工程系的Alejandro Carnicer-Lombarte博士说。

“这是一项高风险的努力，我很高兴它奏效了，”剑桥大学工程系的George Malliaras教授说，他共同领导了这项研究。“这是你不知道需要两年还是十年才能奏效的事情之一，最终它发生了非常有效的事情。

研究人员现在正在努力进一步优化设备并提高其可扩展性。该团队在剑桥大学的技术转让部门剑桥企业的支持下提交了该技术的专利申请。

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，可以在细胞中忠实地执行遗传程序，从而能够持续大规模生产。实验中使用的opti-ox启用肌肉iPSC细胞系由剑桥大学的Kotter实验室提供。opti-ox重编程技术由合成生物学公司bit.bio拥有。