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生物光电子系统有望治疗器官功能障碍

日期:2019-01-10 人气:2779

生物光电子学的研究内容主要包括三个方面:一是研究生物体系本身的电子学特性、生物体系中的信息存储和信息传递;二是利用光学材料和光学理论解决生物分子识别、信息传递、信息标记问题;三是应用电子信息科学的理论和技术解决生物信息获取、信息分析问题,发展生物医学检测技术及辅助治疗的新方法和新技术,探索开发微型检测仪器。围绕以上研究内容,本书系统、全面而又详细地介绍了生物光电子学的相关基本概念、基本理论及其在生物医学检测等方面的发展状况。基于对生物光电子学理论的理解,书中介绍了生物电子学、生物光子学及各种光电相关的生物传感器,讨论了相应生物传感器在实际电子器件中的应用。例如,场效应晶体管生物传感器、电化学生物传感器、表面等离子激元、微流控等。对于各种传感器件,本书主要强调了它们的基础知识、基本原理、结构和性能的关系等。

英国《自然》杂志6日在线发表了一项生物医学工程新突破:一种通过电刺激和光输入来控制神经活动的生物光电子系统研发成功,美国科学家团队在实验中已可以恢复大鼠的膀胱功能。经过进一步研发和测试,该系统或能成为一种治疗疾病和器官功能障碍的新方法。

生物电子医学采用工程系统刺激神经系统,以缓解疾病症状。这类系统可能也融合了光遗传技术,即利用光控制活细胞(一般是神经细胞)。但是,目前的生物电子系统缺乏靶向特定器官所需的特异性,因此有可能产生意外的副作用。

此次,美国西北大学约翰·罗格、圣路易斯华盛顿大学罗伯特·季里奥及他们的同事,开发了一个微型生物光电子系统,并将其植入患有药物诱发的膀胱功能障碍的雌性大鼠体内。植入物包括一个闭环(自调节)系统和若干互联组件:一个传感器,用以监测膀胱充盈情况;一对微尺度LED,用以照射膀胱进行光遗传学控制;一个无线单元,用以为系统提供动力;一个数据监测装置。他们向动物膀胱内“引入”对光信号敏感的视蛋白。借助病毒载体,这些视蛋白得以在神经细胞中表达,使神经细胞的活动能够被光信号开关所控制。

实验显示,大鼠对上述装置耐受良好,在植入后的7天内,未观察到明显炎症反应或体重/运动变化。

该系统能够实时自动识别病理类型,并触发LED以光遗传学方式刺激特定的膀胱神经作出反应。最后,大鼠恢复了正常的膀胱功能。研究人员表示,目前还需要进一步的测试和适当的比例扩展,才有可能将该系统应用于人类。但研究团队认为,该技术原理有望带来较为广泛的生物学应用。

总编辑圈点

生物电子医学是生物学和电子信息学的结合,常能产生一些奇妙的解决方案。这一次,美国的研究者们往大鼠体内植入了一个生物光电子系统,让神经细胞的活动被光信号开关控制。尽管体内有盏“灯”,但大鼠表现得“没毛病”,还真靠着这套系统恢复了正常膀胱功能。看起来简直新奇又可爱。有麻省理工学院的专家评论,对操控神经系统用于疾病治疗的领域来说,这项工作是一大进步。如果光遗传学的方法真能用于临床,该工作中用到的方法还将发挥更重要作用。

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