《Scientific Reports》：A fully implantable intraspinal microstimulation device for early preclinical evaluation of feasibility, stability, and functionality
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研究人员为推进脊髓损伤后站立行走功能恢复的临床转化，开展了“完全植入式无线控制脊髓内微刺激(ISMS)装置”的研究。他们在猪模型中成功植入该装置，证实了其外科植入可行性、早期稳定性，并实现了对髋、膝、踝关节的分级、选择性运动控制。该研究为大动物模型中的ISMS长期应用奠定了基础，是迈向人类临床应用的关键一步。
对于那些因脊髓损伤而瘫痪的患者而言，重新站立和行走是他们最迫切的梦想之一。电刺激脊髓技术为这个梦想带来了曙光，它被认为有望恢复患者的运动功能。然而，这条康复之路并非坦途。科学家们面临着一个关键挑战：如何实现选择性且稳定的运动控制，并且这种控制能够在长时间的电刺激下得以维持？传统的刺激方法在精准性和持久性上往往难以兼顾。此时，脊髓内微刺激(Intraspinal Microstimulation, ISMS) 技术展现出了独特的优势。它能够深入脊髓内部，精准、持续地激活动物的运动神经环路。但要将这项技术真正应用于人类，还必须跨越一道关键的“临床前”桥梁：我们需要在体型和脊髓结构与人类相似的大型动物模型中，全面评估其外科植入的可行性、安全性以及长期稳定性。正是为了回答这些问题，一项发表在《Scientific Reports》上的研究应运而生，它开发并测试了一种完全植入式、无线控制的ISMS装置，并在家猪身上完成了关键的早期验证。
研究人员为解决上述难题，主要采用了以下几种关键技术方法：首先，他们设计并制造了完全植入式、无线控制的ISMS设备，该设备包含用于改善机械顺应性、减少异物反应的应力消除机制。其次，研究在大型动物模型（家猪） 中进行了外科植入手术，并对4头猪进行了8至14天的短期体内测试。再者，他们通过植入的电极进行电刺激，以评估其诱导肌肉收缩和关节运动的功能。最后，研究运用了死后脊髓磁共振成像(MRI) 和免疫组织化学分析，来评估电极的在位情况、胶质细胞包裹范围以及炎症反应程度。
摘要
本研究展示了完全植入式无线控制ISMS装置的开发、实施，以及其在家猪模型中的植入可行性与功能性。植入体包含应力消除机制以改善机械顺应性并最小化异物反应。我们在4头猪中对该装置进行了8到14天的测试，以评估外科可行性和早期植入体稳定性。植入后，通过电极进行的刺激成功诱发了功能性肌肉收缩，以及髋、膝和踝关节周围的分级运动。脊髓的死后磁共振成像显示电极保持在位。所有植入该装置的动物在术后都经历了短暂的运动麻痹，在一周后肌肉力量和协调性得到恢复。免疫组织化学分析显示，电极周围的胶质细胞包裹被限制在植入点中心200 μm的区域内，并且未显示植入体迁移。这表明短暂的神经功能缺损很可能是外科手术操作（椎板切除术、硬脊膜切开术和脊髓操作）的影响，尽管不能排除穿透电极的贡献。此类并发症可以通过优化外科方案来最小化，特别是应用抗炎皮质类固醇和硬膜外止血剂。这项工作确立了ISMS在脊髓损伤后恢复站立和行走的可行性，并证明了其在大型动物模型中选择性靶向整个腰椎膨大区域运动神经网络的能力。
研究结果
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装置开发与外科可行性：研究成功开发出一种完全植入式、无线控制的ISMS装置，并成功将其植入4头家猪体内，证明了在大型动物模型中进行此类复杂植入手术的可行性。植入过程持续8至14天，用于早期评估。
- 2.
功能性与运动控制：植入后，通过植入的电极施加电刺激，能够成功诱发目标肌肉的功能性收缩。更重要的是，刺激实现了对髋关节、膝关节和踝关节的分级、选择性运动控制，这表明ISMS能够精准地调动不同的运动神经回路。
- 3.
植入体稳定性与组织反应：死后磁共振成像(MRI) 分析证实，所有植入的电极在实验期间均保持了良好的在位稳定性，没有发生显著移位。免疫组织化学分析进一步揭示了装置与神经组织的生物相容性：电极尖端周围由胶质细胞（主要是星形胶质细胞和小胶质细胞）形成的包裹层非常薄，仅限于植入点中心约200微米的范围内，且未观察到植入体的迁移。这证明了该植入体设计（包括应力消除机制）有效最小化了异物反应。
- 4.
术后并发症与恢复：所有接受植入的动物在手术后都出现了暂时性的运动麻痹，后肢运动功能减弱。然而，这种功能障碍是可逆的，动物在一周后开始恢复肌肉力量和运动协调性。组织学证据表明，剧烈的炎症反应和直接的脊髓手术创伤（如椎板切除术、硬脊膜切开术）是导致这种短暂神经功能缺损的主要原因，而非电极的长期存在或持续损伤。
结论与讨论
本研究成功地开发并在大型动物模型中验证了一种完全植入式无线控制ISMS装置。核心结论表明：第一，在体型与人类接近的家猪体内植入多通道ISMS装置是外科可行的。第二，该装置在短期植入期内表现出良好的机械稳定性和生物相容性，引起的组织反应局限。第三，该ISMS装置能够实现对下肢多个关节的选择性、分级运动控制，证明了其恢复复杂运动功能的潜在效能。
这项工作的重要意义在于，它跨越了从啮齿类小动物到大型动物的关键一步，为ISMS技术的临床转化提供了至关重要的临床前数据。它首次在与人脊髓尺寸和形态相似的大型动物模型中，系统评估了ISMS植入的可行性、早期安全性和功能性。研究证实，通过优化的手术方案（如使用抗炎药物和止血材料），可以最大限度地减少手术本身引起的暂时性神经损伤，这为未来的人类临床试验制定了重要的手术安全规范。尽管研究周期相对较短，但它坚实证明了ISMS在大型动物模型中靶向腰椎膨大运动神经网络的能力，为开发用于脊髓损伤患者、能够恢复自然、稳定站立与行走的下一代完全植入式神经假体奠定了坚实的基础。未来的工作将需要关注更长期的植入稳定性、慢性刺激下的功能维持以及更为复杂的运动任务重建。
