胃腸道電生理學(xué)(GIE)的發(fā)展歷程從早期的基礎(chǔ)研究逐步演變?yōu)橄冗M(jìn)的診斷工具,不僅展示了其變革的潛力,同時(shí)也揭示了面臨的多種挑戰(zhàn)。盡管在電生理記錄方面已取得顯著進(jìn)展,但GIE技術(shù)的臨床應(yīng)用仍然有限。隨著微型化、無線化和智能設(shè)備的發(fā)展,GIE有望彌合研究與臨床實(shí)踐之間的鴻溝。無創(chuàng)穿戴式設(shè)備和電子膠囊提供了更安全的監(jiān)測方式,而內(nèi)窺式技術(shù)則在數(shù)據(jù)處理和分辨率方面具有優(yōu)勢。
2024年6月,國際高水平綜述期刊Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology (IF=65.1)在線發(fā)表了浙江大學(xué)化學(xué)系胡寧研究員團(tuán)隊(duì)的評述論文“Next generation of gastrointestinal electrophysiology devices”。浙江大學(xué)胡寧研究員與帝國理工學(xué)院趙云龍教授為本論文的通訊作者,浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬兒童醫(yī)院劉海濤研究員為第一作者,浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬兒童醫(yī)院副院長、腔鏡中心主任高志剛對論文內(nèi)容給予重要的臨床指導(dǎo)。
胃腸道電生理學(xué)發(fā)展與挑戰(zhàn)
GIE作為一種診斷工具,包含設(shè)備部署、信號捕獲和數(shù)據(jù)分析等程序,主要關(guān)注揭示胃腸道內(nèi)特定疾病相關(guān)的時(shí)空電模式。例如,穿戴式(體表)胃電圖顯示,患有慢性惡心和嘔吐的患者在餐后反應(yīng)減弱并出現(xiàn)節(jié)律紊亂,確立了GIE作為一種無創(chuàng)、定性診斷工具的地位。相比內(nèi)窺式和可穿戴設(shè)備,可吞服的電子膠囊由于其口服給藥途徑具有獨(dú)特優(yōu)勢。這種方式提高了患者依從性,簡化了檢查過程,允許長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測,并且能夠到達(dá)有線胃鏡難以到達(dá)的胃腸道遠(yuǎn)端區(qū)域。開發(fā)GIE設(shè)備的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括確保穩(wěn)定的電源供應(yīng)、提高傳感器靈敏度、簡化有效數(shù)據(jù)提取以及保持集成系統(tǒng)的安全性,這對于成功開發(fā)和部署先進(jìn)的GIE設(shè)備至關(guān)重要。
電子膠囊的功能性關(guān)鍵在于其電源,研究正在探索微型電池技術(shù)和利用胃腸道自然化學(xué)反應(yīng)來供電的創(chuàng)新方法,這可能帶來更緊湊和高效的膠囊。此外,電子膠囊依賴于復(fù)雜的電路進(jìn)行無線電生理數(shù)據(jù)采集,需要集成放大器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和通信模塊。未來在身體深處電源供應(yīng)方面的進(jìn)展令人期待,包括微型電池技術(shù)或生物能量收集的潛在突破。選擇能夠通過組織傳輸?shù)臒o線數(shù)據(jù)傳輸方法也是至關(guān)重要的,未來的發(fā)展預(yù)計(jì)會(huì)優(yōu)化這些傳輸技術(shù),使電子膠囊能夠與外部監(jiān)測設(shè)備無縫集成,實(shí)現(xiàn)高效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和患者監(jiān)測。
相比于膠囊式,無創(chuàng)穿戴式GIE提供了一種更安全、更舒適的持續(xù)健康監(jiān)測選項(xiàng),成為高分辨率電圖和長期患者護(hù)理的吸引人替代方案。相比而言,內(nèi)窺式技術(shù)更加侵入,但它們在更高時(shí)空分辨率的電圖記錄和數(shù)據(jù)處理方面提供了更大的靈活性,能夠無縫集成傳統(tǒng)的胃鏡。GIE數(shù)據(jù)解釋的復(fù)雜性是臨床轉(zhuǎn)化的顯著障礙,人工智能提供了一條有希望的途徑來解決這些挑戰(zhàn)。
此外,開發(fā)GIE設(shè)備也需要考慮環(huán)境和倫理問題,以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)和負(fù)責(zé)任的醫(yī)療創(chuàng)新。使用可生物降解材料和從人體過程中的能量收集提供了環(huán)保解決方案,然而,管理這些設(shè)備的生命周期提出了挑戰(zhàn),必須謹(jǐn)慎解決倫理問題,確保設(shè)備負(fù)責(zé)任地開發(fā)和部署,優(yōu)先考慮患者安全和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。
作者簡介:
胡寧研究員,現(xiàn)為浙江大學(xué)化學(xué)系“百人計(jì)劃”研究員,博士生導(dǎo)師、浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心“百人計(jì)劃”研究員、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬兒童醫(yī)院研究員、國家兒童健康與疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心研究員,《浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(英文版)A輯》青年編委。博士及學(xué)士畢業(yè)于浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè),后前往哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、塔夫茨大學(xué)開展博士后研究工作。十余年來專注于生物醫(yī)學(xué)傳感與納米科學(xué)技術(shù)交叉學(xué)科領(lǐng)域,自主研制并開發(fā)了多種生物醫(yī)學(xué)傳感檢測技術(shù)、微納生物醫(yī)學(xué)傳感器件以及多功能一體化傳感系統(tǒng);同時(shí)堅(jiān)持以探索微納生物醫(yī)學(xué)傳感研究與技術(shù)的創(chuàng)新、突破技術(shù)與儀器的瓶頸、打破國外技術(shù)與產(chǎn)品的壟斷為目標(biāo),系統(tǒng)性地發(fā)展了生物醫(yī)學(xué)傳感核心的生物模型、試劑、器件、技術(shù)與系統(tǒng)。目前,共主持國家級、省部級、企事業(yè)橫向項(xiàng)目等30多項(xiàng),參與國家自然科學(xué)基金委、國家海洋局等科研儀器研制類項(xiàng)目10多項(xiàng)。相關(guān)成果以通訊作者在國際知名期刊Nano Letters (IF=10.8)、Biosensors and Bioelectronics (IF=12.6)、ACS Nano (IF=17.1)、Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology (IF=65.1)、Nano-Micro Letters (IF=26.6)、Advanced Functional Materials (IF=19.0)、Research (IF=11.0)、Small (IF=13.3)等共發(fā)表SCI論文70多篇;授權(quán)發(fā)明專利20多項(xiàng),轉(zhuǎn)讓4項(xiàng);基于生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的研究成果撰寫中英文著作5部;有關(guān)生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的研究與應(yīng)用成果分別獲得教育部技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)與自然科學(xué)二等獎(jiǎng),并擔(dān)任多個(gè)SCI期刊的副主編或編委,入選全球前2%頂尖科學(xué)家榜單。
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