综述：生物电子医学与神经接口：生物医学创新的智能治疗技术

　　本综述系统探讨了生物电子医学（BEM）这一新兴交叉领域，重点介绍了其通过神经接口技术（如迷走神经刺激器VNS、深部脑刺激DBS）实现精准神经调控的机制，及其在高血压、糖尿病（DM）、类风湿关节炎（RA）、中枢神经系统（CNS）疾病等治疗中的应用前景，同时分析了生物相容性、长期安全性及伦理挑战。

　　

摘要

新一代生物电子医学设备整合神经技术与精准治疗，通过实时调控生理功能为慢性及急性疾病提供创新治疗方案。这一跨学科领域融合生物学、电子学与医学，旨在减少药物依赖、降低副作用并应对医疗经济挑战。关键技术突破包括炎症反射的发现、电植入技术的创新及迷走神经调控的应用。临床实践中，人工起搏器、生物电子鼻、生物传感器及视觉假体等设备已用于治疗高血压、糖尿病、CNS疾病、RA、失明和脊髓损伤等疾病。未来需解决生物相容性、长期安全性及伦理问题，推动个性化治疗与跨领域合作。

引言

生物电子医学突破传统“一病一药”模式，通过局部化、自适应且无系统副作用的电脉冲治疗替代药物干预。其核心是利用神经信号作为治疗工具，结合植入式设备（如迷走神经刺激器）与非侵入式可穿戴传感器，实现实时疾病监测与闭环干预。该领域依赖对神经系统电信号模式的精确识别与控制，尤其通过外周神经系统对内脏器官的靶向调控。技术进步已推动生物电子医学在癫痫、帕金森病等疾病治疗中的应用，并获得谷歌、葛兰素史克（GSK）等企业的巨额投资。

生物电子医学：时代需求

生物电子医学的发展源于对传统药物疗法局限性的反思，旨在通过电植入设备替代药物，减少过量用药及副作用，并应对医疗经济挑战。其重点包括推动免疫学与神经学机制研究，优化治疗效率与安全性。

研究目标

生物电子医学的研究目标包括精准识别疾病靶点、开发高级研究工具以解析现有治疗空白，以及构建反映正常与疾病状态下生物体化学、电学与机械状态的综合模型。需通过生物学、医学与计算机科学的协作实现突破。

内脏神经图谱构建

类似基因组与脑研究，需建立内脏器官（如胃肠道、肝、肾、肺）的神经结构与功能图谱，明确交感、副交感及感觉神经的特定支配模式。高分辨率神经追踪技术、种间变异分析及动物模型映射是关键步骤，同时需结合脑信号与器官生物标志物（如血压、细胞因子释放）的同步分析，以解析神经纤维功能单元。

治疗可能性的早期验证

现有电极技术需微型化改造以适配内脏神经探测。光遗传学、纳米颗粒与超声断层扫描等生物物理方法可非侵入式记录与调控动作电位模式。开发集成高带宽数据传输、电源管理与信号处理的微型电子平台，是实现长期动物模型研究的基础。

神经接口技术的进步

治疗潜力验证需通过原理验证实验，包括识别疾病相关神经回路、优化治疗编码（如神经信号参数调控），并探索闭环系统的自调节功能（根据生物标志物实时调整刺激）。长期安全性需评估神经反应、免疫适应及生理适应性。

技术发展里程碑

炎症反射的发现

2002年研究证实神经元参与急性炎症的检测与抑制。迷走神经在炎症反应中起核心作用，例如抑制肿瘤坏死因子（TNF-α）与白细胞介素-1（IL-1）的产生，为免疫疾病治疗提供新方向。

电植入技术的建立

电疗概念源自古埃及与希腊时期，现代研究通过神经调控（如迷走神经刺激）干预癫痫、抑郁等疾病。美国FDA于1997年批准迷走神经刺激器（VNS）用于难治性癫痫，2005年扩展至慢性抑郁治疗。其他电刺激技术包括骶神经刺激（SNS）治疗盆腔疾病、脊髓刺激（SCS）治疗神经性疼痛，以及人工耳蜗用于听力丧失。

迷走神经的调控应用

迷走神经作为体内最长神经，从脑干延伸至腹部，调控心率等多种生理功能。1880年代研究已发现颈动脉压迫可抑制癫痫发作，现代技术通过精确电刺激实现靶向治疗。

生物电子设备类型

人工起搏器

通过电脉冲调节心律，治疗心动过缓、心动过速及心肌梗死相关心律失常。现代起搏器采用异步或非竞争性脉冲发生器，避免心室颤动风险。

人工胰腺

闭环生物电子设备，整合葡萄糖传感器、控制算法与胰岛素输注装置，用于糖尿病患者的血糖调控。早期研究集中于静脉内监测，近年开发皮下监测技术提升便携性。

生物电子鼻

基于蛋白质或哺乳动物细胞的生物传感器，相比传统电子鼻具有高选择性与灵敏度，但受限于人类嗅觉信号复杂性。分为细胞基与蛋白基两类。

生物传感器

通过分子识别结构（如固定化酶）将生化信息转化为电信号，实现实时、低成本监测糖尿病与肥胖等疾病的代谢物水平。

植入式能量收集设备

利用环境振动、声音或人体运动等环境能源，通过压电、电磁或静电微发电机为设备供电，减少对电池的依赖。

纤维素基生物电子设备

纤维素及其衍生物（如醋酸纤维素）因生物可降解性、生物相容性成为生物传感器理想材料，通过枝状结构杂交提升检测灵敏度。

血糖仪

广泛用于高血糖与低血糖管理，但准确性受血液葡萄糖分布不均限制。连续葡萄糖监测（CGM）与微针技术推动 minimally invasive 检测发展。

视觉假体

通过电极阵列电刺激视觉通路，治疗视网膜退化性疾病（如视网膜色素变性RP、年龄相关性黄斑 degeneration AMD）。编码技术将相机图像转化为电信号，模拟形状、运动与深度视觉感知。

生物电子医学在健康 care 中的整合

高血压治疗

通过调控自主神经系统（ANS）靶向交感神经过度活跃，技术包括肾交感神经消融、颈动脉压力反射激活及经皮电神经刺激（TENS）。中医电针与TENS通过影响神经通路辅助降压。

糖尿病治疗

通过迷走神经调控影响葡萄糖代谢、胰岛素分泌与炎症通路。胃起搏器、迷走神经 pacing 设备及闭环系统可实现体重减轻与血糖控制。研究显示肝实质电刺激可降低空腹与餐后血糖水平。

CNS疾病治疗

经颅磁刺激（TMS）非侵入式激活前额叶皮层治疗抑郁与焦虑，VNS通过迷走神经刺激调节情绪与癫痫发作。深部脑刺激（DBS）精准靶向 dysfunctional 神经回路，改善帕金森病运动功能。

类风湿关节炎治疗

迷走神经刺激（VNS）抑制促炎细胞因子（如TNF-α、IL-6）释放，减少关节炎症与损伤。临床 trials 显示短期刺激（每日4分钟）可改善RA患者症状。

失明治疗

视网膜植入物通过电刺激剩余视网膜细胞，为RP与AMD患者提供光感与形状识别。技术发展依赖对视觉通路（视网膜、纹状皮层）的精确理解。

脊髓疾病治疗

脊髓刺激（SCS）通过门控理论抑制疼痛信号，闭环SCS系统实时调整电刺激参数，治疗脊髓损伤（SCI）与慢性疼痛。新技术包括 burst SCS 与非感觉异常刺激模式。

技术进展

2025年，闭环神经调制设备结合机器学习算法，实现基于生物信号（如心率变异性）的个性化治疗。软性电子材料（如石墨烯）提升生物相容性，无电池系统通过生物燃料电池与无线充电推进完全植入设备发展。迷走神经刺激（VNS）在RA、克罗恩病与哮喘中显示抗炎效果，可穿戴传感器与云分析推动远程监测与预测诊断。

关键挑战与伦理考量

生物电子医学面临医疗系统整合、设备安全验证及数据隐私保护问题。患者知情同意、自主权与数据安全需优先保障。技术成本与可及性可能加剧医疗不平等，需政策干预确保公平分配。神经调控对大脑功能的修改引发伦理争议，包括身份认同与自主性影响。制造商需承诺长期设备支持，避免患者因技术淘汰面临风险。

未来方向

需避免技术过度炒作，聚焦生物学机制解析与转化框架建立。神经网络映射与异常电活动生物标志物（如 electrocorticographic 信号）研究是关键。闭环系统整合生化指标（如IL-6）实现个性化治疗。伦理框架需解决数据安全、公平竞争与长期支持问题。自动化微电子制造可提升设备可扩展性，监管标准需适应生物混合设备等新兴平台。长期安全性、MRI兼容性、成本与心理影响仍是临床推广障碍。

结论

生物电子医学通过神经接口与智能设备重塑治疗范式，为难治性疾病提供精准、非药物解决方案。尽管在视觉假体、血糖控制等领域取得进展，仍需加强神经编码与网络连接研究。闭环系统提升对高血压、糖尿病等疾病的调控能力。跨学科合作与临床转化将是推动该领域成为精准医学核心的关键。