北航團(tuán)隊(duì)研發(fā)生物降解 “電子繃帶”，小鼠腸道損傷14天內(nèi)完全愈合，加速多種器官的傷口愈合

近日，北京航空航天大學(xué)常凌乾團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)了一種自供電柔性電刺激微電極系統(tǒng)（稱為“電子繃帶”）。

其具備全植入式和可生物降解的特點(diǎn)，大約可以在體內(nèi)存在數(shù)周時(shí)間，實(shí)現(xiàn)其生物學(xué)功能（即促進(jìn)腸道損傷愈合）后全部降解。

圖 | 常凌乾（來源：常凌乾）

當(dāng)將電子繃帶用于小鼠腸道損傷模型之中，脈沖電刺激可以將生長因子（EGF，Epidermal Growth Factor）基因，高效地表達(dá)到腸道上皮細(xì)胞中。

同時(shí)，直流電刺激可以持續(xù)地刺激細(xì)胞，將細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的大量 EGF 蛋白分泌至細(xì)胞外。

在這種協(xié)同作用之下，小鼠腸道在電子繃帶植入 14 天之內(nèi)完成良好愈合。與傳統(tǒng)手術(shù)縫合相比，增生和梗阻等術(shù)后并發(fā)癥的概率顯著減少，并且修復(fù)之后的小鼠腸道組織，在粘膜連續(xù)性、肌肉連續(xù)性和肉芽組織形成上表現(xiàn)良好。

當(dāng)對小鼠糞便進(jìn)行菌群測序分析之后，電子繃帶顯示出較高的益生菌相對豐度和活力水平。

（來源：Nature Electronics）

在整個(gè)生物降解期之內(nèi)，被植入電子繃帶的健康小鼠血清中的 C 反應(yīng)蛋白和白細(xì)胞介素-2（IL-2），相比未植入電子繃帶的健康小鼠，沒有出現(xiàn)明顯差異。

同時(shí)，植入小鼠的心臟、肝臟、脾臟、肺、腎臟沒有發(fā)現(xiàn)明顯的炎癥反應(yīng)，這證明電子繃帶具備良好的生物兼容性。

此外，電子繃帶使用鎂和鉬的微電極對，且金屬含量均遠(yuǎn)低于每日推薦的膳食攝入量，不會對生物體造成傷害。

同時(shí)，這兩種材料都具備可生物降解的特點(diǎn)，是理想的植入式器件的電極材料。

總的來說，憑借這款電子繃帶的雙電刺激策略，為加速傷口愈合提供了一條富有潛力的途徑。

雖然本次工作僅僅展示了小鼠腸道傷口的愈合案例。但也可以用于促進(jìn)其他器官和組織的傷口愈合，包括神經(jīng)系統(tǒng)、皮膚和肌肉等。

（來源：Nature Electronics）

據(jù)了解，腸道的結(jié)構(gòu)比較獨(dú)特，而且微環(huán)境比較復(fù)雜。因此，其傷口愈合是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的醫(yī)學(xué)問題。

縫合手術(shù)是常用的傳統(tǒng)治療方案，但可能會導(dǎo)致恢復(fù)時(shí)間長、以及腸道增生和梗阻等術(shù)后并發(fā)癥。手術(shù)釘和壓迫吻合環(huán)，盡管可以作為替代方案，但也可能會導(dǎo)致更多的組織損傷。

傷口要想成功愈合，就需要促進(jìn)關(guān)鍵細(xì)胞的增殖。而攜帶干細(xì)胞和愈合因子的組織密封劑或水凝膠，可能具備加速愈合的能力。

然而，組織密封劑或水凝膠不能主動調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)、胞外分泌和細(xì)胞外微環(huán)境中的增殖。

這種情況之下，無法加速傷口部位所必需的細(xì)胞增殖，自然也就無法有效地干預(yù)傷口愈合過程。

電刺激，此前已被用于促進(jìn)淺表組織和器官的愈合。不過，一些現(xiàn)有的技術(shù)挑戰(zhàn)阻礙了臨床應(yīng)用。

比如說，對于電刺激這種手段來說，必須使用一個(gè)可植入的可控電源，來按需提供電刺激。

隨后，讓可控電源在生物體內(nèi)完成自降解。這種方法盡管無需二次手術(shù)摘除，但是依然未能得到實(shí)現(xiàn)。

而在本次研究伊始，課題組在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了一系列脈沖電刺激的探究，通過此他們發(fā)現(xiàn)用于細(xì)胞增殖的 EGF 基因，不僅具備較高的遞送效率，并且可以很好的轉(zhuǎn)率和翻譯。

但是，這樣的增殖效率似乎并不能達(dá)到理想效果?？紤]到細(xì)胞增殖的機(jī)理在于生長因子蛋白必須要被分泌至細(xì)胞外，與鄰近細(xì)胞表面受體結(jié)合才能起到最終的作用。

因此，他們推測通過單純的脈沖電刺激來提高胞內(nèi) EGF 含量，并不能明顯地提高胞吐的能力。

于是，他們開始研究電刺激的作用時(shí)間長短，是否能夠影響到細(xì)胞的胞吐行為。通過延長脈沖電刺激的時(shí)間，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的增殖速率果然得到了進(jìn)一步提高。

但這顯然是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)槭中g(shù)窗口期是有限的，顯然無法通過脈沖電刺激實(shí)現(xiàn)這一功能。

鑒于此，他們打算尋找一種既可以持續(xù)輸出電刺激、且不管強(qiáng)度多大都可以實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動的電刺激，同時(shí)還得適應(yīng)需要完全植入生物體內(nèi)的應(yīng)用場景。

后來，他們發(fā)現(xiàn)基于原電池原理的生物可吸收金屬材料，或許能夠?qū)崿F(xiàn)這一需求。通過測試和篩選，課題組鎖定了鎂和鉬這兩種金屬。

與此同時(shí)，以這兩種金屬為導(dǎo)向的微電極對，還可以作為脈沖電轉(zhuǎn)染的正負(fù)極。

接下來，他們通過在小鼠腸道損傷模型中，初步驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

經(jīng)過一段時(shí)間的試錯(cuò)，課題組發(fā)現(xiàn)相比臨床手術(shù)縫合線的方式，在術(shù)后發(fā)生梗阻和增生等方面，這種雙電刺激合璧的系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。

并且，相比只是單一種電刺激的情況下，其愈合療效也非常出色。

（來源：Nature Electronics）

據(jù)介紹，電子繃帶由三層結(jié)構(gòu)組成，其中的所有材料都具有生物可降解性：

第一層是多孔聚己內(nèi)酯薄膜，也是本次系統(tǒng)的基底層。通過靜電紡絲工藝，上述薄膜可以形成纖維網(wǎng)絡(luò)。

第一層主要有兩大作用：

其一，可以支撐鎂/鉬電極沉積在薄膜表面；其二，可以作為電子繃帶的封裝，延長器件的使用壽命。

第二層是鎂和鉬形成的微叉指電極對。其中，電極層通過陰影掩模磁控，濺射在聚己內(nèi)酯基底之上。

第二層也主要有兩大作用：

其一，可以通過術(shù)中施加脈沖電刺激，從而充當(dāng)正負(fù)電極對的作用，進(jìn)而用于一次性的基因遞送，以便將含有 EGF 片段的 DNA 質(zhì)粒，遞送到腸道上皮細(xì)胞中，促進(jìn)細(xì)胞對外源 EGF 基因進(jìn)行有效轉(zhuǎn)錄和翻譯。

其二，鎂/鉬兩種金屬的電極在體液環(huán)境中，可以形成一個(gè)原電池，從而持續(xù)地向組織部位釋放大約 1V 的直流電刺激。

第三層是殼聚糖水凝膠層，能通過勻膠儀旋涂在微電極的另一側(cè)。

第三層的兩大作用如下：

其一，殼聚糖水凝膠可以直接接觸腸道組織，其本身的粘性可以將電子繃帶牢固地粘附在腸道傷口位置。

其二，水凝膠的三維多孔狀結(jié)構(gòu)，可以吸附和儲存 EGF 基因溶液，以便用于脈沖電轉(zhuǎn)染。

而采用雙電模態(tài)刺激促進(jìn)腸道損傷修復(fù)的機(jī)理，則可分為兩個(gè)方面：

一方面，通過脈沖電場，將含有 EGF 基因的質(zhì)粒遞送到細(xì)胞內(nèi)部，促使細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯，從而增加 EGF 的蛋白表達(dá)量。

對于傷口愈合來說，只有 EGF 蛋白這樣的愈合因子分泌到胞外，與鄰近細(xì)胞表面受體結(jié)合，才能起到愈合作用。

另一方面，鎂/鉬電極在體液環(huán)境中所形成的原電池，可以持續(xù)地釋放直流電場，當(dāng)對損傷位置的細(xì)胞進(jìn)行電刺激時(shí)，就能促使細(xì)胞離子通道打開，從而增強(qiáng)蛋白質(zhì)的胞吐作用。

進(jìn)而將大量的 EGF 源源不斷地分泌到細(xì)胞之外，最終達(dá)到雙重電刺激的協(xié)同作用，借此促進(jìn)上皮細(xì)胞的增殖，進(jìn)而加速組織傷口的愈合。

相比縫合、藥物聯(lián)用、以及使用單電模態(tài)（脈沖或直流）刺激的電子繃帶等方法，這種基于雙電刺激協(xié)同作用的電子繃帶和上述三者存在以下不同之處：

首先，對于雙電刺激電子繃帶和基于縫合加藥物的治療來說，應(yīng)該使用含有 EGF 蛋白的敷料一類藥物。

但是，由于 EGF 蛋白的半衰期非常短，無法有效地避免干預(yù)傷口愈合的過程。因此，促進(jìn)傷口愈合的程度會受到很大限制，導(dǎo)致無法達(dá)到理想的愈合結(jié)果。

其次，對于雙電刺激電子繃帶和單次電刺激電子繃帶的區(qū)別來說，主要需要分為兩種情況。

第一種情況，脈沖電刺激盡管可以提升細(xì)胞內(nèi) EGF 蛋白的總量，但是由于電刺激作用時(shí)間非常短暫(幾十秒)，因此無法將足夠的 EGF 蛋白排向胞外。這樣一來，就會導(dǎo)致細(xì)胞增殖結(jié)果不明顯，傷口愈合情況自然也就不理想。

第二種情況，直流電刺激的確可以促進(jìn)細(xì)胞發(fā)生胞吐行為。但是，由于細(xì)胞自身所產(chǎn)生的 EGF 蛋白非常有限，同樣也會導(dǎo)致細(xì)胞外能用于增殖的 EGF 蛋白總量較少，最終依舊無法實(shí)現(xiàn)細(xì)胞增殖，進(jìn)而無法有效地促進(jìn)傷口修復(fù)。

而基于雙電刺激的電子繃帶，巧妙地彌補(bǔ)了以上缺陷，讓局部源源不斷地產(chǎn)生大量 EGF 蛋白，發(fā)揮促進(jìn)愈合的作用。

相比傳統(tǒng)方案，這種提高自體分泌 EGF 的策略，不僅能縮短愈合時(shí)間，還能減少增生、梗阻等并發(fā)癥，并能提高腸道微環(huán)境健康。

（來源：Nature Electronics）

有時(shí)，一項(xiàng)成功的科研常會伴隨著酸甜苦辣和崎嶇坎坷。

論文一作（吳晗，北航三年級博士生）對該研究感慨頗多：“2021 年冬天，因?yàn)橐獙﹄娮涌噹е踩胄∈篌w內(nèi)后做超聲檢測，我和王玉瓊師姐顧不上吃晚飯，抱著剛麻醉后的小鼠?！?/span>

北京的冬天很冷，王玉瓊將老鼠捂在懷里，生怕低溫老鼠去世。

吳晗繼續(xù)說道：“這里要特別感謝王思奇哥（王玉瓊師姐老公），開車送我們?nèi)プ鲂游锍曈跋瘢L(fēng)開到最大，一路顫顫巍巍?！?/span>

很幸運(yùn)的是他們拍成了，不幸的是就在回實(shí)驗(yàn)室的路上，小老鼠沒能抵抗住寒冷的天氣壯烈犧牲了。“師姐說，這或許就是科研人的艱辛和不易，一切都得重頭再來嘍?！闭撐囊蛔鞅硎尽?/span>

當(dāng)然，最終的結(jié)果是美好的。相關(guān)論文以《通過柔軟且可生物降解的電子繃帶的雙重電刺激加速腸道傷口愈合》（Accelerated intestinal wound healing via dual electrostimulation from a soft and biodegradable electronic bandage）為題發(fā)在 Nature Electronics（IF 34.3）。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Electronics）

北航的吳晗博士生、王玉瓊博士、李虎博士（現(xiàn)為香港城市大學(xué)博士后）是共同一作，北航的常凌乾教授和助理教授王柳、以及美國賓夕法尼亞州立大學(xué)余存江教授擔(dān)任共同通訊作者[1]。

圖 | 從左到右：常凌乾、吳晗、王玉瓊、李虎（來源：資料圖）

和藥物上市相似的是，假如自供電電子繃帶要進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)，就得開展臨床試驗(yàn)。

鑒于電子繃帶屬于醫(yī)療器械，因此要遵從國家藥品監(jiān)督管理局組織制定的《醫(yī)療器械動物試驗(yàn)研究注冊審查指導(dǎo)原則》和 GB/T 16886 一系列標(biāo)準(zhǔn)。

并根據(jù)醫(yī)療器械生物學(xué)評價(jià)相關(guān)的技術(shù)文件，開展進(jìn)一步的大型動物實(shí)驗(yàn)，比如豬和靈長類動物的實(shí)驗(yàn)。

基于目前的研究，下一步他們計(jì)劃在現(xiàn)有芯片系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，針對修復(fù)過程中的傷口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并希望能做到隨時(shí)診斷、及時(shí)治療的一體化集成系統(tǒng)。

在本次研究之中，他們發(fā)現(xiàn)雖然自供電電子繃帶有很好的促愈合療效，但是這種結(jié)果也只能在術(shù)后特定時(shí)間去觀察最終的治療效果。