[科普中国]-电子药物

电子药物，又称生物电子药物，是一种可安置于个体内脏各处末梢区域神经的微型可植入式器件。这类器件能够破译和调节神经信号传输模式，并通过控制神经元以及它们的功能群的动作电位带来针对特定器官单一功能的治疗效果。通过生物电子药物作用在与疾病和治疗相关的“闭环”神经回路（即记录神经的电活动以及与之相关的生理参数，实时地分析这种组合数据并相应地调节神经信号传输），其作用于器官特定神经区域的调节精度可以得到进一步的增强。

1.背景生物电子学是生物学和电子产品相融合产生的学科，是致力于建立电子与生物学之间协同作用的研究领域。Elsevier在1990年出版的杂志Biosensors and Bioelectronics是提供这一领域信息的主要论坛之一，该杂志将生物电子学的范围描述如下：生物电子学的新兴领域试图利用生物学在更大范围内结合电子，比如：生物燃料电池，仿生学和生物材料的信息处理、信息存储、电子元器件和执行器。一个关键方面是生物材料和微纳米电子之间的接口。

2.简介生物电子药物不同于传统药物和打针，是一类新型的小型化可植入式设备。这些设备可以被编程来读取和修改主体的神经电信号，通过产生针对特定神经回路的电脉冲来调节人体的器官和功能。通过这些装置可以对炎症性肠病、关节炎、哮喘、高血压和糖尿病等疾病进行治疗。相比于传统的药物治疗，生物电子药物可以针对特定细胞群提供更高的调节精度，并且副作用也更少。

生物电子药物涉及生物医学、电生理学、神经医学等多学科领域，同时也促进了多学科领域众专家的合作研究。生物病理学家需要与神经科学家合作绘制神经回路，同时生物信息学家确定疾病的动作电位特征。为了发展这种医疗设备，生物工程师负责设计生物相容性接口，并由电气工程师来开发具有实时信息处理功能的微型芯片，纳米技术专家负责制造能源，神经外科医生则确保这些设计可以被植入并连接。许多的挑战在于将生物学的理解转化成工程规范。

3.作用机制电药用品的作用机制是为了更好的绘制与疾病和治疗相关的神经回路。这主要发生在两个层面上。在解剖层面，研究人员需要绘制与疾病相关的神经和大脑区域，并确定最佳干预点；在信令层面，需要对这些干预点的神经语言进行解码，从而使研究人员能够开发出与健康和疾病状态相关的“模式字典”（与绘制人类大脑相协同的国际项目）。在由疾病所改变的神经回路里，建立电脉冲对疾病的干预机制和得到能产生最有效治疗反应的作用模式是至关重要的。简言之，在治疗疾病时，电子药物可以追踪神经系统的分立元件，例如：特定神经回路的独立神经元，并通过调节相关神经元的动作电位使患者恢复健康。第二代微型器件和纳米器件可以代替光、机械或电磁能量来实现这种针对神经回路内的特定细胞的调节。

4.应用目前，利用电脉冲的电药用品已经被用于治疗疾病。每年心脏起搏器和除颤器挽救了数以百万计的生命；脑深部电刺激（DBS）显著提高了患有帕金森症和抑郁症病人的生活质量；骶神经刺激可以恢复截瘫患者膀胱的部分功能；迷走神经刺激有益于癫痫病和风湿性关节炎的临床治疗。但现有的设备是不加选择地针对大面积的组织，而无法在神经回路中的特定神经元群体中起作用。随着科学进步，研究人员能够控制特定的神经元组，这也为创造发展能够在神经回路中产生具有更精确调节作用的电脉冲提供了可能。

5.主要电子药物产品心脏起搏器、DBS（脑深部电刺激器，又称脑起搏器）、除颤器、骶神经刺激器、迷走神经刺激器、脊髓刺激器、神经丛刺激器、人工耳蜗等

6.国内外现状GSK（葛兰素史克）是全球最大的以研发为基础的跨国制药企业之一，其市场在抗生素、中枢神经、呼吸和消化系统四个治疗领域占主导地位。目前该公司也热衷于研发生物电子药物。GSK公司将采取以下三个措施致力于充当这一新兴领域的催化剂：1.支持超过30个项目，跨越全球超过25所院校的探索融资计划；2.创建了动作电位创投（APVC）有限公司，并将5000万美元的战略风险投资基金投资于公司的先驱生物电子药物和技术；3. 2013年12月，GSK为生物电子研究社区举行了一次国际会议，研究人员能够通过该社区建立联系和分享早期发现。此外，为了鼓励更多的科学家参与创新挑战，在2014年9月GSK为愿意参加挑战的团队推出了500万美元创新挑战基金（ICF）。为了鼓励生物电子药物领域的开放创新，来自ICF资助工作和创新挑战赛的获奖作品的所有工具和技术将被免费提供给全球研究界。旨在为来自不同机构的研究人员创造合作环境，而这也将加速新一代电子药物的研发。

2013年美国宾夕法尼亚大学开放了其神经工程治疗中心，汇集了在医学、工程和商业的研究人员。大学研究员已经绘制了人类、猫、狗、啮齿动物等的神经回路。目前他们正致力于构建和部署在神经元水平调节回路的设备，利用云计算挖掘神经大数据，并将这些技术应用在设备上，例如：抗癫痫设备。

在范因斯坦医学研究院，科学家们正在试图建立引起免疫和炎症的神经代码，确定干预点并开展探索性临床工作。现有结果表明在标准实验室模型中识别和处理针对不同炎症介质的神经信号是可行的。

麻省理工学院的研究人员正在合作运用从光遗传学到可扩展的自动化电生理学技术绘制并调制神经回路。他们正在分发遗传代码、硬件和软件来将这些发明付诸实践。

7.发展前景 生物电子有可能显著影响许多地区重要国家的经济和社会福利，包括医疗保健和医药、国土安全、取证、保护环境和食品供应。不仅电子学的进步可以影响生物学和医学，而且生物学的进展也能够给高效装配工艺、设备、以及纳米电子技术的架构提供强而有力的见解。在未来十年中，它将会使恢复视力或逆转脊髓损伤或疾病的影响成为可能，并且使没有门诊和瞬时生物剂检测的芯片实验室能够进行医疗诊断。

8.图册

词条标签：生物电子药物；电子药物；电脉冲；动作电位；干预机制；神经回路；神经电信号；神经调节；神经刺激；植入

本词条内容贡献者为:

胡春华 - 副教授 - 清华大学神经调控技术国家工程实验室