微型植入式無線設備:能夠提供飽腹感,有助於對抗肥胖!

2021-01-11 環球創新智慧

導讀

據美國德克薩斯農工大學官網近日報導,該校研究人員開發出一款醫療設備,該設備將有助於減輕體重,並且只需要簡單的手術就可以植入體內。

背景肥胖由於其日益嚴重的盛行趨勢,已經成為一種全球性的流行病。如今,肥胖已成為世界範圍內導致人類死亡的第五大因素,至少280萬的成年人由於肥胖相關疾病死亡。據統計,44%的糖尿病,23%的缺血性心臟病,以及7%~41%的特定癌症都是由肥胖引起的。2017年一項研究稱,全球有超過7億的成人與兒童都屬於肥胖人群。

(圖片來源:Pixabay)

對於那些體重指數大於35或者患有至少兩種肥胖相關疾病的人,「胃旁路手術」為患者提供了一條不僅可以減輕體重,而且能夠長期保持體重的途徑。可是由於這個手術涉及製作一個小的胃袋並改變消化道的路徑,所以會造成很大的侵入性創傷,也延長了患者康復所需的時間。創新在一項新研究中,美國德克薩斯農工大學(Texas A&M University)的研究人員描述了一款醫療設備,該設備可能有助於減輕體重,並且只需要簡單的手術就可以植入體內。研究人員表示,這款釐米尺寸的裝置通過光來刺激迷走神經末端而提供飽腹感。不同於其他需要電源線的設備,這款設備是無線的,可以通過遠程射頻源進行外部控制。

(圖片來源:Matthew Linguist, Texas A&M Engineering)

電氣與計算機工程系助理教授 Sung II Park 博士表示:「我們想要創造一種設備,它不僅能夠通過最微小的手術植入,還可以刺激胃中特定的神經末梢。我們的設備有望在惡劣的胃部環境下完成這兩項工作,對於需要進行劇烈減肥手術的人們將是非常有益的。」

有關這款設備的更為詳細的信息發表在1月份出版的《自然·通訊》(Nature Communications)雜誌上。

技術

近年來,迷走神經作為治療肥胖的靶標受到了廣泛關注,因為它提供了從胃壁到大腦的飽腹感信息。儘管有些醫療設備可以刺激迷走神經末梢,從而有助於抑制飢餓,但是這些設備的設計與起搏器相似,也就是說,連接到電流源的電線會產生電震顫以激活神經末梢。

然而 Park 教授表示,無線技術以及先進的遺傳學和光學工具的應用,有望使得神經刺激設備不那麼繁瑣,並使患者更加舒適。

他說:「儘管無線系統具有許多臨床益處,但是迄今為止,還沒有任何一種設備能夠對除大腦以外的任何其他器官內部的神經元活動進行長期持久的細胞類型特異性操縱。」

為了填補這一空白,Park 教授及其團隊首先使用遺傳工具,將對光作出反應的表達基因導入生物體內特定的迷走神經末端。然後,他們設計了一個微型的槳狀裝置,並在其固定於胃部的撓性軸末端附近插入了微型LED。在設備的頭部(稱為採集器)中,他們安裝了設備與外部射頻源進行無線通信所需的微晶片。採集器還配備了產生微小電流為LED供電的功能。當打開射頻源時,研究人員展示了來自LED的光可以有效地抑制飢餓感。

(圖片來源:Matthew Linguist, Texas A&M Engineering)

研究人員表示,他們驚訝地發現,在該實驗中協調飢餓抑制的生物機制不同於傳統認識。換句話說,先前人們普遍接受的是,當胃部飽足時,它會膨脹,並且有關伸展的信息會由迷走神經上的機械感受器傳遞到大腦。

Park 教授表示:「我們的發現表明,刺激那些對食物中的化學物質有反應的非伸展性受體,即使在胃不膨脹的情況下,也可能會產生飽腹感。」

價值

展望未來,他表示,目前的裝置幾乎不進行任何改動就可以操縱整個胃腸道和其他器官(如腸道)的神經末梢。

Park 教授表示:「無線光遺傳學以及識別控制食慾和其他行為的外周神經通路,對電子、材料科學和神經科學的應用領域和基礎研究領域的研究人員都非常有意義。我們的新型工具現在能以現有方法無法實現的方式來檢查外周神經系統的神經元功能。」

關鍵詞

光遺傳學、植入式設備、減肥

參考資料

【1】Woo Seok Kim, Sungcheol Hong, Milenka Gamero, Vivekanand Jeevakumar, Clay M. Smithhart, Theodore J. Price, Richard D. Palmiter, Carlos Campos, Sung Il Park. Organ-specific, multimodal, wireless optoelectronics for high-throughput phenotyping of peripheral neural pathways. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-20421-8

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