微型电子植入物治疗关节炎、糖尿病和肥胖症

David Kessel在13岁时就患有高血压。他的医生为他做了许多检查，但从未查明原因。到20岁出头时，他每天要服用17种不同的药物，但即使这样，他爬一层楼梯都会气喘吁吁。他佩戴着血压监测仪，读数始终处于危险的高位。

2005年夏天，Kessel报名参加了在圣路易斯（离他家不远）进行的一项临床试验。一家名为CVRx的明尼阿波利斯公司（Minneapolis-based company）的医生在他颈动脉上植入了一个半美元大小的电极。手术后，一个植入他胸部的电池供电机能器通过电脉冲刺激动脉中的压力传感器。这些传感器向大脑发送脉冲，大脑随后发出信号降低他的心率并放松他的血管。

“我真的能感觉到我的血压在下降，” Kessel说。九年后，他不仅能精力充沛地度过每一天，还能和他的两个女儿一起骑长途自行车。

从感染到糖尿病，药物通常是医生治疗的首选方法。但如果新兴的生物电子医学领域能够发展起来，Kessel的设备将为医生提供一个全新的武器库。

这些新型生物电子植入物设计用于放置在神经束上或附近。在那里，它们会调节我们大脑和器官之间传输的电脉冲。这些脉冲调节着从心脏功能到身体运动的一切。

疾病或损伤可能导致神经无法发送适当的信号，或被迫发送不适当的信号。通过读取和调节这些信号，这些新设备——其中大部分尚处于早期阶段，许多尚未获得官方批准——可以改变特定神经的放电方式，从而调节器官功能。这反过来又可能治疗各种疾病，如睡眠呼吸暂停、类风湿性关节炎、糖尿病、肥胖症等。

这些植入物中的一些已开始进入市场。2014年，美国食品药品监督管理局（FDA）批准了用于治疗睡眠呼吸暂停的植入物。今年，该机构批准了一种用于控制体重、产生饱腹感的设备。许多公司正在投资这项技术，包括像葛兰素史克（GlaxoSmithKline）这样的制药巨头，该公司已成立一家风险投资基金，将投资5000万美元给开发生物电子药物的公司。

“研究人员甚至在探索如何利用这项技术来治疗癌症，”葛兰素史克生物电子研发部门负责人Kristoffer Famm说道。“在接下来的五年里，这里将充满激动人心的时刻。”

思考免疫

电刺激组织的医疗设备并非新事物，但它们在近几十年才进入主流医疗领域。人工耳蜗植入物通过刺激大脑听觉皮层中的神经元来帮助听力障碍者，而深部脑刺激通过传递电脉冲来抑制异常神经信号，从而改善帕金森病患者的活动能力。脊髓损伤的截瘫患者可以通过骶神经刺激来控制膀胱，促进膀胱和大脑之间的交流。

但这些设备的工作方式很粗糙，在许多情况下，它们会将电能分散到许多神经束，而不是控制个体功能的特定神经束。有时这会导致负面副作用。例如，刺激迷走神经——一条从大脑延伸到结肠、调节听力到心跳的一切——是治疗癫痫的常用方法，但它可能导致吞咽困难。

纽约北岸LIJ医疗系统（North Shore LIJ Health System）费因斯坦研究所（Feinstein Institute）所长、神经外科医生Kevin Tracey表示，这些设备在医学上具有革命性，它们仅是生物电子医学可能性的很小一部分。在20世纪90年代末，Tracey发现刺激迷走神经也能改变免疫功能。他后来创立的公司SetPoint Medical发现，刺激该神经可以阻止炎症，从而治疗类风湿性关节炎。

“我们发现免疫系统就像心脏一样，是一个有神经支配的器官，” Tracey说道。

这是一个游戏规则的改变者。自身免疫性疾病——如类风湿性关节炎、多发性硬化症、炎症性肠病和狼疮——现在可以通过电疗来治疗。SetPoint Medical随后开发了第一批治疗类风湿性关节炎的生物电子设备。2012年，该公司公布了针对欧洲类风湿性关节炎患者的首次临床试验结果，共有八人参与试验，近三分之二的患者从中受益。

微小而强大

为了开发新的生物电子疗法，科学家们必须首先绘制神经回路图，并确定与健康器官功能相对应的神经放电模式。然后，他们需要弄清楚这些模式是如何出错导致疾病的。为此，美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）将在未来六年内投资2.48亿美元，用于绘制神经系统的详细线路图。

神经元也具有特征性的电脉冲模式，类似于摩尔斯电码的点和划，神经科学家正在研究它们，以确定它们如何失常导致疾病，以及如何恢复健康身体中的模式。与此同时，脑机接口的研究正在生产能够与单个神经元相互作用的电极，使科学家能够以前所未有的精度控制神经回路。科学家们正在设计基于大脑功能的微芯片，使其工作更直观。

工程师们也在努力实现生物电子设备的微型化，从而降低设备植入手术的风险。例如，当外科医生将Kessel的半美元大小的电极包裹在颈动脉窦上时，他们不得不解剖周围的许多神经——这一过程存在很大的神经损伤风险。

为了提高患者的安全性，生物医学工程师Kip Ludwig（他在Kessel试验开始多年后曾在CVRx工作）和他的同事们花费了数月时间使用计算机模型设计了一个小得多的设备。他们在实验动物身上测试了原型，并与血管外科医生合作，了解设计将如何影响手术过程，并更好地理解该过程的生理学。该公司还对一个模拟最坏情况（如设备弯曲和拉伸）的原型进行了“台式”模拟，以确保它能够承受终生使用的正常磨损，并且不会降解并释放有害物质。

其结果是得到了一个直径为8毫米（大约相当于橡皮擦的直径）的耐用电极，外科医生只需通过一个微小的切口就可以将其植入颈动脉，以及一个寿命更长、可最大限度减少更换手术的电池。CVRx的另一个团队将电池供电机能器缩小了约一半，使其大致相当于一个U盘的大小。2013年8月，Kessel植入了该设备的最新版本，其效果与原版一样好。

Ludwig现在已离开CVRx，现任美国国立卫生研究院神经工程项目主任，他负责分配资金给其他生物电子研究人员开发更小、更有效的设备。他表示，简化有用但笨拙的生物电子设备的努力实际上推动着整个行业。

位于加利福尼亚州Sylmar的生物电子公司Second Sight使用电极刺激视网膜，其设备已部分恢复了近100名患者的视力。新的人工耳蜗植入物现在使聋人能够进行电话交谈。去年，俄亥俄州哥伦布市的一个团队将一个电极植入一名瘫痪男子的脑部，并将其连接到他手腕上的一个套筒上，这使得该男子能够用意念控制手部运动。

生物电子技术有一天甚至可能帮助瘫痪者行走。阿尔伯塔大学（University of Alberta）的研究人员今年正在进行临床试验，将涉及两名严重脊髓损伤患者。一个临时植入下脊髓的生物电子设备将模拟大脑信号，从脊髓损伤下方传输电脉冲到腿部。他们希望该设备能带来行动能力。

“我认为我们不会达到药物能让盲人看见、聋人听见的程度，”Ludwig说。“但‘这正是我们通过这些设备看到的。’”

终极智能药丸

Ludwig表示，电疗不太可能取代药物。相反，他设想它们联手合作。Ludwig说，几十年来，药物泵一直是一种“即插即用”的治疗方式，无论患者病情如何，都输送相同剂量的药物。但一种结合了电疗和药物泵的设备可以靶向身体的某个区域，利用传感器读取患者的生理状况，并将准确剂量的药物输送到最合适的组织。

Ludwig还设想了一种新颖的联合治疗方法，一半是药物，一半是生物电子：药丸在体内溶解成微粒，而外部电源（类似于今天的超声波机）将利用磁场远程将微粒引导到不同的神经。这种目前正在开发中的未来医学将无需手术植入。Ludwig说，这将是最终的智能药丸，有一天可能有助于治疗癌症或阿尔茨海默病。

Tracey表示，在五到十年内，我们可能会看到一种设备，通过蓝牙技术连接到医生办公室的iPad进行监控。最终，医生将可以通过互联网调整患者的设备，就像他们调整患者服用的药物一样。

Ludwig也同意；他认为这些设备每天都在进步。“这才是它的真正力量所在，”他说。“用药物是无法做到同等效果的。”

[本文最初印刷版为“冲动控制”。]