新型植入式胃電刺激器的刺激效果及組織相容性動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究

李艷梅 ，姚樹(shù)坤，麥宋平，姚力，陳少軒，張偉碩，郭文娟，張春

1 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院，北京，100730

2 中日友好醫(yī)院 消化內(nèi)科，北京，100029

3 清華大學(xué)微電子學(xué)研究所，北京，100084

胃電刺激器治療肥胖是一種新的方法，雖然臨床研究及應(yīng)用已有十余年，但該技術(shù)仍有待進(jìn)一步改進(jìn)。我們與清華大學(xué)微電子學(xué)研究所聯(lián)合研制了新型的可調(diào)式胃電刺激器，為了驗(yàn)證該儀器的療效和安全性，了解胃電刺激器植入體內(nèi)后的生物相容性，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

健康成年雌性比格犬(體重8～12 kg)共8只，由軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供。

1.2 胃電刺激器

由清華大學(xué)微電子所提供的可調(diào)式胃電刺激器（NES-GH-SPA-01），包括埋植于皮下的脈沖發(fā)生器(Pulser)、連接胃壁和脈沖發(fā)生器的刺激電極(Electrode)和編程棒(Programming Stick)三部分。

1.2.1 脈沖發(fā)生器

封裝在鈦殼中的脈沖發(fā)生器組成主要包括：無(wú)線(xiàn)通信模塊、中央控制模塊和刺激輸出模塊三個(gè)部分。它們的功能如下：無(wú)線(xiàn)通信模塊主要負(fù)責(zé)編程棒和脈沖發(fā)生器之間的無(wú)線(xiàn)通信，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)程控的目的；中央控制模塊處理編程棒的指令，必要的時(shí)候回復(fù)數(shù)據(jù)；刺激輸出模塊依據(jù)中央控制模塊提供的刺激參數(shù)，由中央控制模塊控制其開(kāi)啟刺激或者關(guān)閉刺激。使用醫(yī)用純鈦（符合美國(guó)ASTMF67標(biāo)準(zhǔn)，含鈦99%以上）制成脈沖發(fā)生器的外殼，見(jiàn)圖1。

1.2.2 刺激電極

目前，胃電刺激器的電極采用心臟臨時(shí)起搏器的電極，YS99-01臨時(shí)起搏導(dǎo)線(xiàn)，見(jiàn)圖1。該產(chǎn)品以不銹鋼為原材料，采用聚四氟乙烯材料作為導(dǎo)線(xiàn)的外包皮。在此設(shè)計(jì)版本中，電極以硅膠墊片固定在胃壁上。

圖1 脈沖發(fā)生器和電極外觀Fig.1 Diagram of the Pulser and Electrode

1.2.3 編程棒

在體外調(diào)控脈沖發(fā)生器，設(shè)置胃電刺激參數(shù)及刺激時(shí)間，發(fā)送指令，使脈沖發(fā)生器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)、工作狀態(tài)或休眠狀態(tài)，見(jiàn)圖2。

圖2 編程棒外觀Fig.2 Diagram of the Programming Stick

1.3 動(dòng)物模型制備

動(dòng)物禁食8小時(shí)以上，通過(guò)腹腔注射4%戊巴比妥鈉(0.1 mL／kg，中國(guó)醫(yī)藥公司)及肌肉注射速眠新（0.1 mL／kg，長(zhǎng)春軍事科學(xué)院軍事獸醫(yī)研究所）麻醉。監(jiān)測(cè)生命體征：舌顏色、脈搏、呼吸頻率。經(jīng)腹壁正中切口，自劍突下2 cm向下切開(kāi)5 cm，暴露胃前壁及幽門(mén)，將1對(duì)臨時(shí)起搏電極植入胃漿膜下，位置為沿胃大彎側(cè)幽門(mén)上3 cm（胃的遠(yuǎn)端），電極間的距離為1 cm，用硅膠墊片固定在胃壁上。電極的另一端自腹壁切口處引出，用導(dǎo)線(xiàn)與脈沖發(fā)生器相連。在右上腹肋緣下皮下分離出囊袋，將脈沖發(fā)生器埋置于此囊袋中，關(guān)閉囊袋。導(dǎo)線(xiàn)在腹腔內(nèi)的游離距離為6-10 cm。間斷縫合腹壁切口。術(shù)后動(dòng)物恢復(fù)2 w，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)由中日友好醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)同意。

1.4 胃電刺激方法

應(yīng)用胃電刺激器進(jìn)行胃電刺激。刺激模式為串脈沖：輸出電流頻率40 Hz,電流10 mA,波寬0～10 ms，2 s-on、3 s-off的周期性矩形脈沖。在前期實(shí)驗(yàn)中根據(jù)攝食情況篩選有效的胃電刺激參數(shù)，按照此參數(shù)（每只動(dòng)物波寬不同，波動(dòng)在1～6 ms之間）進(jìn)行胃電刺激1個(gè)月。篩選刺激參數(shù)的條件：顯著減少攝食量，但不引起明顯癥狀的一組參數(shù)。

1.5 胃電刺激器植入體內(nèi)的生物相容性觀察

為了檢測(cè)植入設(shè)備的生物相容性，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中觀察了動(dòng)物活動(dòng)狀況，創(chuàng)口有無(wú)滲血、紅腫和化膿等跡象。距離手術(shù)時(shí)間6 w時(shí)，結(jié)束實(shí)驗(yàn)，麻醉動(dòng)物，觀察胃電刺激器有無(wú)移位，肉眼觀察其周?chē)M織情況。然后處死動(dòng)物，取電極和脈沖發(fā)生器埋置部位的組織，進(jìn)行10%中性甲醛固定，經(jīng)脫鈣、石蠟包埋、切片和HE染色，光鏡下觀察界面區(qū)域是否存在炎癥、組織壞死等情況。

2 結(jié)果

2.1 胃電刺激引起的癥狀

狗對(duì)胃電刺激的耐受性好，一般情況良好，生命體征均很穩(wěn)定，無(wú)嚴(yán)重并發(fā)癥出現(xiàn)。低強(qiáng)度胃電刺激一般不引起癥狀，或者僅引起吠叫和運(yùn)動(dòng)稍增多，此時(shí)即出現(xiàn)顯著的攝食減少。刺激脈寬達(dá)到10 ms時(shí)，一些狗仍能夠耐受。一些不能耐受狗的癥狀表現(xiàn)為嘔吐、明顯躁動(dòng)和吠叫。

2.2 胃電刺激對(duì)攝食量的影響

胃電刺激能夠顯著抑制狗的食欲，減少攝食，平均攝食量由每天280 g狗糧減少至每天210 g，減少了25%。

2.3 脈沖發(fā)生器及電極固定部位的病理改變

本實(shí)驗(yàn)中，胃電刺激器植入6 w內(nèi)，動(dòng)物飲食和活動(dòng)良好，傷口均在7 d左右完全愈合。局部無(wú)腫脹、滲血、化膿和材料排出情況。取樣時(shí)肉眼觀察，植入物無(wú)移位，周?chē)欣w維包膜包繞，貼近材料的組織未見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物、結(jié)節(jié)和感染等現(xiàn)象，包膜與植入物容易分離。

顯微鏡下觀察，脈沖發(fā)生器（鈦殼封裝）埋置在皮下的部位，可見(jiàn)囊壁形成，囊壁致密，由成纖維細(xì)胞組成。周?chē)M織結(jié)構(gòu)清晰，部分標(biāo)本可見(jiàn)周?chē)M織輕度的充血、水腫、小血管增生和少量炎細(xì)胞（包括中性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和單核細(xì)胞）浸潤(rùn)，見(jiàn)圖3和圖4。刺激電極用硅膠片固定于胃漿膜處，可見(jiàn)原硅膠所在部位形成囊壁，由纖維組織構(gòu)成，周?chē)装Y反應(yīng)較輕，見(jiàn)圖5。

3 討論

肥胖已經(jīng)逐漸成為我國(guó)嚴(yán)重的公共健康問(wèn)題，尚缺乏理想的治療方法。肥胖治療藥物，因副作用明顯而相繼退出市場(chǎng)或臨床前研究，手術(shù)治療創(chuàng)傷及風(fēng)險(xiǎn)較大，患者難以接受，需要研究開(kāi)發(fā)新的肥胖治療方法。

圖3-4 脈沖發(fā)生器植入部位（皮下）：囊壁形成，伴輕度炎細(xì)胞浸潤(rùn)和小血管增生。Fig.3-4 Site of Pulser,implanted subcutaneously:a cyst wall was formed,with mild inflammatory reaction

圖5 胃壁外硅膠植入處：囊壁形成。（×40）Fig.5 Site of silica gel,implanted outside of the gastric wall:a cyst wall was formed

20世紀(jì)90年代初，意大利外科醫(yī)師Valerio Cigaina[1]首次發(fā)現(xiàn)胃電刺激可引起動(dòng)物攝食行為改變和體重下降。之后，他將胃電刺激方法用于人類(lèi)肥胖的治療，顯示出良好的減重效果[2]，從此胃電刺激治療肥胖日益引起醫(yī)學(xué)界的關(guān)注。胃電刺激系統(tǒng)包括電子脈沖發(fā)生器和一根類(lèi)似心臟起搏的導(dǎo)線(xiàn)，將電極埋植于遠(yuǎn)端胃壁漿膜下肌層，由脈沖發(fā)生器發(fā)放一定模式的電脈沖刺激，從而影響胃的運(yùn)動(dòng)、抑制食欲并減輕體重，其操作技術(shù)較減肥手術(shù)簡(jiǎn)單，且不改變胃腸道的正常解剖結(jié)構(gòu)。目前主要有意大利、德國(guó)、比利時(shí)和澳大利亞等國(guó)開(kāi)展該項(xiàng)工作，全球已近2000例肥胖患者接受胃電刺激治療。研究結(jié)果顯示，可使超重體重減少(excess weight loss,EWL) 5-30%，且安全性良好[3]。

臨床研究發(fā)現(xiàn)，胃電刺激對(duì)部分肥胖患者療效欠佳[4]。目前臨床上應(yīng)用的胃電刺激器主要是Medtronic Transneuronix公司的Tanscend，MetaCure公司的Tantulus系統(tǒng)等。這些胃電刺激器均由神經(jīng)電刺激器發(fā)展而來(lái)，刺激參數(shù)均為串脈沖（見(jiàn)圖6，參數(shù)2s-on 3s-off,20-40 Hz,波幅6-10 mA,波寬0.3 ms），參數(shù)不可調(diào)節(jié)，波寬較短。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，個(gè)體對(duì)胃電刺激的反應(yīng)存在差異，需要實(shí)現(xiàn)刺激參數(shù)的可調(diào)[5]；波寬為數(shù)ms的胃電刺激與0.3 ms的刺激相比，能更有效地抑制胃動(dòng)力，對(duì)攝食和體重的影響更為顯著[6]，故需要增加胃電刺激器輸出的波寬，這些因素是限制其臨床應(yīng)用及療效的主要因素。目前為止，尚無(wú)理想的植入式胃電刺激器的聞世。

圖6 串脈沖的脈沖信號(hào)示意圖Fig.6 Diagram of pulse train

自2008年起，我們與清華大學(xué)微電子學(xué)研究所聯(lián)合研制了新型的可調(diào)式胃電刺激器，可輸出的胃電刺激脈沖波寬可大大增加，以滿(mǎn)足臨床需要。同時(shí)可從體外發(fā)送指令調(diào)節(jié)刺激參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的連續(xù)可調(diào)和多樣化組合。該胃電刺激器已經(jīng)通過(guò)體外驗(yàn)證及動(dòng)物的預(yù)實(shí)驗(yàn)，初步結(jié)果表明，能夠提供滿(mǎn)意的刺激信號(hào)和能量。

本研究表明，該胃電刺激器植入比格犬體內(nèi)后，連續(xù)刺激1個(gè)月，期間動(dòng)物耐受性良好，未出現(xiàn)嚴(yán)重并發(fā)癥，表明其安全性良好。胃電刺激后，動(dòng)物攝食量明顯減少，該胃電刺激器能夠抑制動(dòng)物攝食，從而可能引起體重減少，胃電刺激器對(duì)體重的直接影響還需通過(guò)慢性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察。

胃電刺激器是植入機(jī)體的設(shè)備，手術(shù)中將電極固定在胃漿膜下，將脈沖發(fā)生器埋置在腹壁皮下囊袋中。目前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段所采用的電極為用于臨床的臨時(shí)起搏導(dǎo)線(xiàn)，用硅膠墊片固定在胃壁上，脈沖發(fā)生器的外殼為醫(yī)用純鈦。胃電刺激器直接與機(jī)體接觸的材料包括醫(yī)用純鈦、硅膠和聚四氟乙烯，三者均為常用的生物植入材料，在臨床應(yīng)用已數(shù)十年，生物相容性良好，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。純鈦質(zhì)輕，有良好的耐腐蝕性；硅膠柔軟、高彈性，有良好的生理惰性，耐體液腐蝕；聚四氟乙烯分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有高度的耐化學(xué)性和耐熱性，無(wú)致癌、致突變報(bào)道[7]。

胃電刺激器植入比格犬體內(nèi)6 w后進(jìn)行病理學(xué)觀察，可見(jiàn)胃電刺激器在犬的皮下和胃漿膜處引起纖維組織增生，形成囊壁包繞，周?chē)M織的炎癥反應(yīng)較輕微。按照醫(yī)療器械生物學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施指南，纖維囊形成分級(jí)為2級(jí)，植入物周?chē)装Y反應(yīng)等級(jí)為II級(jí)，符合醫(yī)療器械生物學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[8]，表明胃電刺激器所使用材料的生物相容性良好。

4 結(jié)論

本研究顯示，犬對(duì)新型胃電刺激器耐受性良好，植入后未觀察到明顯不良反應(yīng)。串脈沖急性胃電刺激能夠顯著減少比格犬的攝食量，脈沖發(fā)生器局部及電極局部病理反應(yīng)較輕，組織相容性良好。該胃電刺激器對(duì)治療肥胖有潛在臨床應(yīng)用前景。

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