電子藥物

電子藥物，又稱生物電子藥物，是一種可安置於個體內臟各處末梢區域神經的微型可植入式器件。這類器件能夠破譯和調節神經信號傳輸模式，並通過控制神經元以及它們的功能群的動作電位帶來針對特定器官單一功能的治療效果。通過生物電子藥物作用在與疾病和治療相關的“閉環”神經迴路（即記錄神經的電活動以及與之相關的生理參數，實時地分析這種組合數據並相應地調節神經信號傳輸），其作用於器官特定神經區域的調節精度可以得到進一步的增強。

1.背景

生物電子學是生物學和電子產品相融合產生的學科，是致力於建立電子與生物學之間協同作用的研究領域。Elsevier在1990年出版的雜誌Biosensors and Bioelectronics是提供這一領域信息的主要論壇之一，該雜誌將生物電子學的範圍描述如下：生物電子學的新興領域試圖利用生物學在更大範圍內結合電子，比如：生物燃料電池，仿生學和生物材料的信息處理、信息存儲、電子元器件和執行器。一個關鍵方面是生物材料和微納米電子之間的接口。

2.簡介

生物電子藥物不同於傳統藥物和打針，是一類新型的小型化可植入式設備。這些設備可以被編程來讀取和修改主體的神經電信號，通過產生針對特定神經迴路的電脈衝來調節人體的器官和功能。通過這些裝置可以對炎症性腸病、關節炎、哮喘、高血壓和糖尿病等疾病進行治療。相比於傳統的藥物治療，生物電子藥物可以針對特定細胞群提供更高的調節精度，並且副作用也更少。

生物電子藥物涉及生物醫學、電生理學、神經醫學等多學科領域，同時也促進了多學科領域眾專家的合作研究。生物病理學家需要與神經科學家合作繪製神經迴路，同時生物信息學家確定疾病的動作電位特徵。為了發展這種醫療設備，生物工程師負責設計生物相容性接口，並由電氣工程師來開發具有實時信息處理功能的微型晶片，納米技術專家負責製造能源，神經外科醫生則確保這些設計可以被植入並連線。許多的挑戰在於將生物學的理解轉化成工程規範。

3.作用機制

電藥用品的作用機制是為了更好的繪製與疾病和治療相關的神經迴路。這主要發生在兩個層面上。在解剖層面，研究人員需要繪製與疾病相關的神經和大腦區域，並確定最佳干預點；在信令層面，需要對這些干預點的神經語言進行解碼，從而使研究人員能夠開發出與健康和疾病狀態相關的“模式字典”（與繪製人類大腦相協同的國際項目）。在由疾病所改變的神經迴路里，建立電脈衝對疾病的干預機制和得到能產生最有效治療反應的作用模式是至關重要的。簡言之，在治療疾病時，電子藥物可以追蹤神經系統的分立元件，例如：特定神經迴路的獨立神經元，並通過調節相關神經元的動作電位使患者恢復健康。第二代微型器件和納米器件可以代替光、機械或電磁能量來實現這種針對神經迴路內的特定細胞的調節。

4.套用

目前，利用電脈衝的電藥用品已經被用於治療疾病。每年心臟起搏器和除顫器挽救了數以百萬計的生命；腦深部電刺激（DBS）顯著提高了患有帕金森症和抑鬱症病人的生活質量；骶神經刺激可以恢復截癱患者膀胱的部分功能；迷走神經刺激有益於癲癇病和風濕性關節炎的臨床治療。但現有的設備是不加選擇地針對大面積的組織，而無法在神經迴路中的特定神經元群體中起作用。隨著科學進步，研究人員能夠控制特定的神經元組，這也為創造發展能夠在神經迴路中產生具有更精確調節作用的電脈衝提供了可能。

5.主要電子藥物產品

心臟起搏器、DBS（腦深部電刺激器，又稱腦起搏器）、除顫器、骶神經刺激器、迷走神經刺激器、脊髓刺激器、神經叢刺激器、人工耳蝸等

6.國內外現狀

GSK（葛蘭素史克）是全球最大的以研發為基礎的跨國製藥企業之一，其市場在抗生素、中樞神經、呼吸和消化系統四個治療領域占主導地位。目前該公司也熱衷於研發生物電子藥物。GSK公司將採取以下三個措施致力於充當這一新興領域的催化劑：1.支持超過30個項目，跨越全球超過25所院校的探索融資計畫；2.創建了動作電位創投（APVC）有限公司，並將5000萬美元的戰略風險投資基金投資於公司的先驅生物電子藥物和技術；3. 2013年12月，GSK為生物電子研究社區舉行了一次國際會議，研究人員能夠通過該社區建立聯繫和分享早期發現。此外，為了鼓勵更多的科學家參與創新挑戰，在2014年9月GSK為願意參加挑戰的團隊推出了500萬美元創新挑戰基金（ICF）。為了鼓勵生物電子藥物領域的開放創新，來自ICF資助工作和創新挑戰賽的獲獎作品的所有工具和技術將被免費提供給全球研究界。旨在為來自不同機構的研究人員創造合作環境，而這也將加速新一代電子藥物的研發。

2013年美國賓夕法尼亞大學開放了其神經工程治療中心，匯集了在醫學、工程和商業的研究人員。大學研究員已經繪製了人類、貓、狗、齧齒動物等的神經迴路。目前他們正致力於構建和部署在神經元水平調節迴路的設備，利用雲計算挖掘神經大數據，並將這些技術套用在設備上，例如：抗癲癇設備。

在范因斯坦醫學研究院，科學家們正在試圖建立引起免疫和炎症的神經代碼，確定干預點並開展探索性臨床工作。現有結果表明在標準實驗室模型中識別和處理針對不同炎症介質的神經信號是可行的。

麻省理工學院的研究人員正在合作運用從光遺傳學到可擴展的自動化電生理學技術繪製並調製神經迴路。他們正在分發遺傳代碼、硬體和軟體來將這些發明付諸實踐。

7.發展前景

生物電子有可能顯著影響許多地區重要國家的經濟和社會福利，包括醫療保健和醫藥、國土安全、取證、保護環境和食品供應。不僅電子學的進步可以影響生物學和醫學，而且生物學的進展也能夠給高效裝配工藝、設備、以及納米電子技術的架構提供強而有力的見解。在未來十年中，它將會使恢復視力或逆轉脊髓損傷或疾病的影響成為可能，並且使沒有門診和瞬時生物劑檢測的晶片實驗室能夠進行醫療診斷。

8.圖冊

詞條標籤：生物電子藥物；電子藥物；電脈衝；動作電位；干預機制；神經迴路；神經電信號；神經調節；神經刺激；植入