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基于光遗传学技术的脑机接口研究进展

中国生物医学工程学报 2024年第2期43卷 204-213页

作者：孟兆阳蒲江波李向宁华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学教育部重点实验室武汉430074 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所天津300192 海南大学生物医学工程学院海南省生物医学工程重点实验室海南三亚572025

脑机接口作为一种大脑和外部设备之间的双向通信系统,在增强脑功能、人机交互和神经康复方面得到了广泛应用。基于光遗传学技术的脑机接口,弥补了电极刺激在生物兼容性、刺激精度与细胞类型特异性上的缺陷,成为神经工程领域的研究热点... 详细信息

脑机接口作为一种大脑和外部设备之间的双向通信系统,在增强脑功能、人机交互和神经康复方面得到了广泛应用。基于光遗传学技术的脑机接口,弥补了电极刺激在生物兼容性、刺激精度与细胞类型特异性上的缺陷,成为神经工程领域的研究热点。综述了光遗传学脑机接口在动物实验中的应用,以及在闭环调控脑区活动、反馈虚拟感觉和脑-脑交互等方面取得的研究进展;介绍了集成化和微型化新型光遗传学接口的研究前沿;总结了光遗传学脑机接口面临的挑战,以及探讨在多模态脑活动监测和脑-机智能等方向的发展前景。

关键词：神经工程脑机接口光遗传学闭环反馈

重组人金属硫蛋白Ⅲ联合创面敷料对小鼠全层皮肤缺损创面愈合的影响

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中华烧伤与创面修复杂志 2024年第5期40卷 425-432页

作者：沈鑫孙左义张瑞薛玉英东南大学公共卫生学院环境医学工程教育部重点实验室南京210009

目的探讨重组人金属硫蛋白Ⅲ(rh-MT-Ⅲ)联合创面敷料在小鼠全层皮肤缺损创面愈合中的作用。方法该研究为实验研究。取24只6周龄美国癌症研究所小鼠,雌雄各半,在每只小鼠背部制备2个对称的圆形全层皮肤缺损创面。将小鼠按性别、体重分层... 详细信息

目的探讨重组人金属硫蛋白Ⅲ(rh-MT-Ⅲ)联合创面敷料在小鼠全层皮肤缺损创面愈合中的作用。方法该研究为实验研究。取24只6周龄美国癌症研究所小鼠,雌雄各半,在每只小鼠背部制备2个对称的圆形全层皮肤缺损创面。将小鼠按性别、体重分层随机分为在创面涂布相应的溶液的生理盐水组、敷料组、rh-MT-Ⅲ组和在创面涂布rh-MT-Ⅲ和创面敷料的混合液的联合治疗组,每组6只小鼠。伤后1~7 d,每天观察所有小鼠的活动、饮食和毛发生长变化,记录小鼠体重、创面面积并计算相对创面面积百分比。伤后7 d,取小鼠创面组织,行苏木精-伊红染色观察新生肉芽组织情况,行Masson染色观察胶原纤维形成情况,行免疫荧光染色检测细胞增殖情况(以Ki67相对荧光强度表示)和细胞凋亡情况[以原位末端标记(TUNEL)相对荧光强度表示]。以上实验样本数均为6。结果伤后7 d内,4组小鼠均无活动、饮食或毛发生长异常。伤后1~7 d,4组小鼠体重总体比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。联合治疗组小鼠伤后2、3、4、5、6、7 d相对创面面积百分比均明显低于生理盐水组、rh-MT-Ⅲ组(P<0.05),伤后3、4、5、6、7 d相对创面面积百分比均明显低于敷料组(P<0.05)。敷料组小鼠伤后6、7 d及rh-MT-Ⅲ组小鼠伤后7 d相对创面面积百分比均明显低于生理盐水组(P<0.05)。伤后7 d,联合治疗组小鼠创面组织中可见大量毛细血管和成纤维细胞,且创面上缘新生上皮组织生长优于其他3组;联合治疗组小鼠创面组织中胶原纤维致密程度较其他3组更高且排列更为有序。伤后7 d,敷料组、rh-MT-Ⅲ组、联合治疗组小鼠创面组织中Ki67相对荧光强度分别为(289±35)%、(197±17)%、(389±56)%,均明显高于生理盐水组的(100±15)%(P<0.05),联合治疗组小鼠创面组织中Ki67相对荧光强度明显高于敷料组、rh-MT-Ⅲ组(P值均<0.05)。伤后7 d,敷料组、rh-MT-Ⅲ组、联合治疗组小鼠创面组织中TUNEL相对荧光强度为(55.5±5.7)%、(66.7±8.0)%、(20.0±2.2)%,均明显低于生理盐水组的(100.0±12.9)%(P<0.05),联合治疗组小鼠创面组织中TUNEL相对荧光强度明显低于敷料组、rh-MT-Ⅲ组(P值均<0.05)。结论rh-MT-Ⅲ可协同创面敷料促进创面周围肉芽组织生长以及胶原沉积,还可提高细胞增殖活力,减少细胞凋亡,通过促进创缘皮肤再上皮化,从而加速小鼠全层皮肤缺损创面愈合。

关键词：创伤和损伤金属硫蛋白生物敷料细胞增殖细胞凋亡创面修复

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肿瘤电场治疗的模型仿真研究

生物医学工程学杂志 2024年第2期41卷 360-367页

作者：秦丽平谢旭王敏敏马明伟潘赟陈光弟张韶岷浙江省医疗器械检验研究院杭州310018 浙江大学求是高等研究院、浙江大学生物医学工程教育部重点实验室杭州310027 浙江大学信息与电子工程学院杭州310027 浙江大学公共卫生学院杭州310027

肿瘤电场治疗是一种新的治疗恶性实体肿瘤的疗法,多采用电场仿真分析不同参数的肿瘤电场治疗在瘤体上产生的电场分布。但目前,由于仿真模型构建技术路线较难复现或实现成本较高,因此本研究采用常用的软件工具建立了易实现的高精度肿瘤... 详细信息

肿瘤电场治疗是一种新的治疗恶性实体肿瘤的疗法,多采用电场仿真分析不同参数的肿瘤电场治疗在瘤体上产生的电场分布。但目前,由于仿真模型构建技术路线较难复现或实现成本较高,因此本研究采用常用的软件工具建立了易实现的高精度肿瘤电场治疗有限元仿真模型,模型精度在1 mm^(3)水平。本研究利用该仿真模型开展了不同组织电学参数、电极配置等因素分析,研究结果显示,对肿瘤内电场分布存在影响的因素包括:头皮、头骨电导率的变化(瘤体治疗场最高变化21.0%)、肿瘤电导率的变化(瘤体治疗场最高变化157.8%)和不同的电极位置及组合(瘤体治疗场最高变化74.2%)。综上,本文研究结果验证了所提建模方法的可行性与有效性,或可为今后的肿瘤电场治疗仿真分析和临床应用提供重要参考。

关键词：肿瘤电场治疗仿真模型有限元胶质母细胞瘤

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衰老引发的糖萼损伤与血管功能障碍

医用生物力学 2024年第2期39卷 368-374页

作者：张梓航高朵岚戴鑫源刘添李明翰邓小燕康红艳北京航空航天大学生物与医学工程学院生物力学与力生物学教育部重点实验室北京市生物医学工程高精尖创新中心北京100083

血管内皮糖萼(endothelial glycocalyx,EG)是位于血管内表面的一层多糖蛋白复合结构,其损伤与动脉粥样硬化、中风、脓毒症、糖尿病、肾脏疾病、高血压、肺水肿等诸多疾病存在关联。基于此,糖萼的健康程度已被列为评估血管健康的重要指... 详细信息

血管内皮糖萼(endothelial glycocalyx,EG)是位于血管内表面的一层多糖蛋白复合结构,其损伤与动脉粥样硬化、中风、脓毒症、糖尿病、肾脏疾病、高血压、肺水肿等诸多疾病存在关联。基于此,糖萼的健康程度已被列为评估血管健康的重要指标。研究表明,衰老会伴随糖萼发生退行性改变,体现在其厚度变薄、合成及降解相关酶基因水平的失调等方面。作为血管的天然保护性屏障,衰老引发的糖萼损伤与血管舒缩功能受损、通透性增大、炎症及免疫反应失调、凝血/抗凝功能失衡等存在关联。从“结构决定功能”角度出发,开展衰老过程中糖萼厚度、成分、微观结构、力学特性等变化规律及其与血管功能障碍的相关性研究,对于预防、诊断、治疗动脉粥样硬化等年龄相关性心血管疾病具有重要意义。

关键词：糖萼衰老血管功能障碍动脉粥样硬化

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线粒体的力学生物学研究进展

医用生物力学 2024年第3期39卷 545-551页

作者：纳静郑丽沙樊瑜波北京航空航天大学生物与医学工程学院生物力学与力生物学教育部重点实验室北京市生物医学工程高精尖创新中心北京100083

线粒体是高度动态的细胞器,不仅为细胞提供能量和物质基础,同时参与调控细胞的增殖、迁移、分化和凋亡等。细胞命运受来自微环境的力学信号调节。近年来的研究表明,力学因素对细胞的能量代谢具有调控作用。线粒体作为一个力学感受器和枢... 详细信息

线粒体是高度动态的细胞器,不仅为细胞提供能量和物质基础,同时参与调控细胞的增殖、迁移、分化和凋亡等。细胞命运受来自微环境的力学信号调节。近年来的研究表明,力学因素对细胞的能量代谢具有调控作用。线粒体作为一个力学感受器和枢纽,连接力学和代谢来调控细胞的命运。深入理解力学微环境和线粒体代谢的关系,为促进组织再生和疾病治疗提供有力的指导。本文主要介绍线粒体力学生物学研究进展,并探讨其在组织再生和疾病治疗中的潜在应用。

关键词：线粒体力学微环境力学转导组织再生癌症

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空间微重力下细胞力学感知-传导的研究进展

医用生物力学 2024年第3期39卷 387-392页

作者：田然吴欣童孙联文北京航空航天大学生物与医学工程学院生物力学与力生物学教育部重点实验室北京市生物医学工程高精尖创新中心北京100191

在重力场下,绝大多数细胞功能受到力学载荷的调控。空间微重力下细胞对力学载荷的响应能力在空间机体生理功能适应性变化中的作用不容忽视。细胞骨架被普遍认为是细胞感知重力变化及响应力学载荷的关键结构之一。本文总结了微重力下“... 详细信息

在重力场下,绝大多数细胞功能受到力学载荷的调控。空间微重力下细胞对力学载荷的响应能力在空间机体生理功能适应性变化中的作用不容忽视。细胞骨架被普遍认为是细胞感知重力变化及响应力学载荷的关键结构之一。本文总结了微重力下“细胞骨架-LINC复合物-核纤层”这一细胞力学感知-传导途径变化及作用机制的研究进展,并对未来的研究工作进行展望。

关键词：空间微重力细胞骨架力学感知力学传导

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基于GA-SQP混合算法的磁共振被动匀场优化方法

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浙江大学学报(工学版) 2024年

作者：赵杰刘锋夏灵范一峰杭州医学院医学影像学院昆士兰大学信息技术与电气工程学院浙江大学生物医学工程教育部重点实验室

为了解决磁共振成像(MRI)系统中固有的主磁场(B0)不均匀的问题，提出结合遗传算法(GA)和序列二次规划(SQP)算法的混合优化算法(GA-SQP)，以提高7 T磁共振的主磁场匀场性.从被动匀场数学模型的角度出发，该混合算法利用GA算法获得稳定的... 详细信息

为了解决磁共振成像(MRI)系统中固有的主磁场(B0)不均匀的问题，提出结合遗传算法(GA)和序列二次规划(SQP)算法的混合优化算法(GA-SQP)，以提高7 T磁共振的主磁场匀场性.从被动匀场数学模型的角度出发，该混合算法利用GA算法获得稳定的初始解，实现主磁场的第1次优化，再通过SQP算法的快速求解，在较少的时间内实现主磁场的第2次优化，同时提高磁共振主磁场的均匀性.采用正则化方法减少磁场均匀所需的铁片质量，并且获得稀疏的铁片分布.在仿真建模的案例研究中，7 T磁共振裸磁场均匀度可以从462×10-6优化到4.5×10-6，并且在匀场空间上仅消耗0.8 kg的铁片.相比于传统的GA优化方法，新方案的磁场均匀性提高了96.7%，总铁片消耗质量减少了85.7%.实验结果表明，GA-SQP算法比其他优化算法具有更强的鲁棒性和竞争力.

关键词：磁共振成像被动匀场 GA-SQP混合算法正则化方法非线性优化

基于Notch信号通路抑制剂的多功能血管支架涂层制备及表征

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材料导报 2024年第12期38卷 44-51页

作者：金磊源胡芳坤姜晓娇夏立刘冉徐佳乐涂秋芬熊开琴西南交通大学材料科学与工程学院材料先进技术教育部重点实验室成都610031 西南交通大学医学院生物医学工程研究院成都610031

炎症反应贯穿动脉粥样硬化(AS)全过程,且与AS病变部位血管支架植入后的一系列不良事件高度相关,包括支架内再狭窄(ISR)、晚期血栓(LST)以及支架内新生动脉粥样硬化(ISNA)等。在诸多炎性疾病(包括AS)的发生及进展过程中,Notch信号通路均... 详细信息

炎症反应贯穿动脉粥样硬化(AS)全过程,且与AS病变部位血管支架植入后的一系列不良事件高度相关,包括支架内再狭窄(ISR)、晚期血栓(LST)以及支架内新生动脉粥样硬化(ISNA)等。在诸多炎性疾病(包括AS)的发生及进展过程中,Notch信号通路均被异常激活。因此,Notch信号通路抑制剂(NSPI)的装载有望减轻炎症,进而缓解支架植入并发症。基于此,本工作提出了以聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)为载体,采用超声雾化喷涂法将Notch信号通路抑制剂RO4929097装载于支架表面的改性策略,构建NSPI/PLGA多功能血管支架。研究结果表明,NSPI/PLGA血管支架的RO4929097有效释放长达30 d,可同时实现抑制炎症反应、促进内皮细胞增殖和抗平滑肌细胞增殖以及抗凝血等多种功能,在介入治疗领域具有极大的应用潜力。

关键词：动脉粥样硬化血管支架炎症 Notch信号通路抑制剂超声雾化喷涂技术表面改性

吲哚氰绿和羽扇豆醇复合脂质体用于结肠癌细胞光-免疫协同灭活研究

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中国激光 2024年第3期51卷 127-137页

作者：秦奋张涵张澜姚翠萍王斯佳张镇西西安交通大学生命科学与技术学院生物医学光子学与传感研究所生物医学信息工程教育部重点实验室陕西西安710049

结肠癌已成为我国主要癌症发病种类之一,传统的治疗方法难以抑制其转移和复发。免疫疗法虽然可以通过机体免疫系统清除肿瘤组织,但肿瘤组织中的免疫抑制微环境,往往会导致效果不及预期。光学疗法,包括光热疗法(PTT)和光动力疗法(PDT),... 详细信息

结肠癌已成为我国主要癌症发病种类之一,传统的治疗方法难以抑制其转移和复发。免疫疗法虽然可以通过机体免疫系统清除肿瘤组织,但肿瘤组织中的免疫抑制微环境,往往会导致效果不及预期。光学疗法,包括光热疗法(PTT)和光动力疗法(PDT),不仅可以直接诱导肿瘤细胞凋亡和坏死,还能改善肿瘤组织中的免疫抑制环境,从而促进免疫细胞在肿瘤组织中的浸润和活性,提高免疫治疗效果。笔者创新性地利用吲哚氰绿(ICG)介导的光学疗法和天然免疫活性分子羽扇豆醇(Lupeol)对自然杀伤(NK)细胞免疫活性的提升作用实现光-免疫协同激活作用和抗肿瘤效果,通过纳米脂质体将ICG和羽扇豆醇整合得到Lip-Lupeol&ICG,并将其用于结肠癌细胞灭活研究。结果显示:Lip-Lupeol&ICG在通过两次间隔激光照射后可实现PTT和PDT的两次治疗作用,可将结肠癌细胞活性抑制至43.4%;与此同时,包裹的羽扇豆醇释放后可与光学疗法协同激活NK细胞活性,将结肠癌细胞活性进一步抑制至16.7%,为临床结肠癌治疗提供了一种新思路。

关键词：医用光学吲哚氰绿羽扇豆醇光动力疗法光热力疗法 NK细胞免疫疗法