香港城市大學(xué)(CityUHK)生物醫(yī)學(xué)工程系史鵬教授課題組報(bào)道了一種基于水凝膠電子設(shè)備的閉環(huán)系統(tǒng),旨在構(gòu)建智能化的大腦疾病治療策略。在智能治療系統(tǒng)中,藥物可以被精準(zhǔn)控制從而為病患定制個(gè)性化的治療方案。通過集成閉環(huán)組件,希望能夠持續(xù)監(jiān)測患者的疾病狀態(tài)并相應(yīng)地調(diào)整治療策略,從而實(shí)現(xiàn)最佳的治療效果。作為應(yīng)用實(shí)例,該課題組利用基于水凝膠電子器件的閉環(huán)系統(tǒng),將電生理記錄和可編程的藥物釋放干預(yù)無縫銜接,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化的抗癲癇管理。
本文提出構(gòu)建單一組分、基于水凝膠的有機(jī)電子設(shè)備,該水凝膠裝置能夠?qū)㈦娚碛涗浐退幚韺W(xué)干預(yù)無縫銜接,以實(shí)現(xiàn)卓越的抗癲癇效果。這種植入式水凝膠裝置可以同時(shí)充當(dāng)神經(jīng)電極和藥物儲(chǔ)存裝置,將記錄的神經(jīng)電信號(hào)作為實(shí)時(shí)病理反饋,觸發(fā)藥物釋放,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化的癲癇管理。作者表示,當(dāng)該設(shè)備植入到患癲癇的嚙齒動(dòng)物體內(nèi)時(shí),它能夠?qū)崿F(xiàn)自主的預(yù)防性抗癲癇管理。一旦檢測到異常的“癲癇樣”信號(hào),設(shè)備就會(huì)將抗癲癇藥物以精確地劑量輸送到目標(biāo)區(qū)域,從而有效地清除癲癇發(fā)作,同時(shí)大大減少了抗癲癇藥物的使用。相關(guān)工作以“Multifunctional hydrogel electronics for closed-loop antiepileptic treatment”為題發(fā)表于《科學(xué)-進(jìn)展》(《Science Advances》)。論文的共同第一作者是香港城市大學(xué)的屈錦博士和謝凱博士,通訊作者為史鵬教授。
(圖)閉環(huán)系統(tǒng)輔助智能神經(jīng)治療。
作者強(qiáng)調(diào)這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于利用新型電活性水凝膠構(gòu)建單組分,多功能裝置,通過閉環(huán)策略實(shí)現(xiàn)自主預(yù)防性抗癲癇管理。該策略包括實(shí)時(shí)電生理經(jīng)監(jiān)測和反饋控制的藥物釋放。在對癲癇嚙齒動(dòng)物的測試中,該方法通過多次預(yù)防性釋放抗癲癇藥物(丙戊酸鈉,VPA)成功抑制了癲癇發(fā)作,總劑量比其他臨床相關(guān)的VPA給藥方法(包括腹腔注射或中樞神經(jīng)系統(tǒng)直接輸注)的使用量至少低3個(gè)數(shù)量級(jí)。
(圖)柔性水凝膠生物電子設(shè)備的概覽照片(左)和特寫照片(右)。
“水凝膠生物電子設(shè)備不僅在抗癲癇干預(yù)中展示了更好的治療效果,還減少了因過度用藥引起的潛在藥物副作用。隨著更多人工智能(AI)組件的加入,反饋信號(hào)也可以進(jìn)一步細(xì)化,更好地分析或預(yù)測患者的生理狀況,從而更智能地參與治療干預(yù)。我們相信,這種閉環(huán)系統(tǒng)為下一代智能神經(jīng)治療提供了一種有前途的替代方案!史鵬教授評(píng)價(jià)道。
(圖)用于自適應(yīng)抗癲癇治療的閉環(huán)生物電子系統(tǒng)的示意圖。
作者最后展望道,除了抗癲癇治療之外,這種閉環(huán)系統(tǒng)在其他疾病的智能健康管理中也有很大的潛力,例如心律失常、帕金森病和仿生假肢等。作者的未來計(jì)劃包括進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù),并使其適應(yīng)其他未滿足的醫(yī)療需求。
原文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq9207
課題組介紹:
MULTISCALE INTEGRATIVE NEUROENGINEERING LABORATORY (MINE-lab)課題組位于香港城市大學(xué)的跨學(xué)科生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室。主要研究通過跨學(xué)科的方法,從事生物傳感器,生物芯片,以及高通量篩選技術(shù)的研究和系統(tǒng)開發(fā),并致力于發(fā)展相關(guān)技術(shù)在神經(jīng)生物學(xué),生物電子學(xué),腦科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
課題組網(wǎng)址:
https://shipeng2.wixsite.com/minelab
https://personal.cityu.edu.hk/pengshi/
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