基于微电子技术的糖尿病治疗神经调控方法研究

In China the diabetics is already over 120 million and the decease has become a wide spread epidemic. To date, however, such a kind of decease could not be cured yet. The diabetics must pay a large amount of medicine for the control of the blood sugar and the complications. In 2015, the medical cost in the field of the diabetic treatment is as high as 300 billion RMB. The aim of this application is to explore a neural modulating of diabetic healing that is based on microelectronic method and of non-pharmaceutical. This creative idea is to design a set of microelectronic system for the neural function modulation of the islet cells, according to the principle that the blood sugar of human body is modulated by neural system. The system consists of two microelectronic modules: One is on the body and another is in the body. The operation principle is as follows: 1) The wearable on-body microelectronic system is to generate the desired FES (functional electrical stimulation)-signals; 2) The signals are modulated on RF-carriers; 3) The modulated signals are transmitted by means of electromagnetic induction to the RF receiver and the FES driver implanted in-body; 4) When the blood sugar goes up, the FES-signal is applied through one pair of electrodes to the parasympathetic nerves and promotes the islet B-cells to secrete insulin and to realize the aim of the reduction of blood sugar; 5) When the blood sugar goes too low, the FES-signal is applied through another pair of electrodes to the sympathetic nerves and promotes the islet A-cells to secrete glucagon and to realize the aim of the raise of blood sugar. This method belongs to an international initiative and a Chinese patent is applied.

我国糖尿病呈爆发流行趋势，目前患者已超过1.2亿，尚未有根治方法，患者需付出大量财力用于控制血糖及其并发症。2015年我国在糖尿病领域的医疗花销已超过3000亿元。本申请的目标是探索一种基于微电子技术的糖尿病治疗神经调控方法。其创新思想是：根据人体血糖受神经调节的原理，设计一套微电子系统，用于胰岛细胞的功能调控。系统分体内外两个微电子电路模块和两对儿电极。工作原理是：根据血糖水平的先验知识或监控数据，启动体外的穿戴式微电子系统产生功能电刺激（FES）信号，以电磁感应方式传递到植入皮下的无线接收与FES模块，生成刺激信号。血糖升高时，将刺激信号通过一对儿电极施加到控制胰岛细胞的副交感神经上，促进胰岛B细胞分泌胰岛素，实现降糖目的。血糖过低时，将刺激信号通过另一对儿电极施加到控制胰岛细胞的交感神经上，促进胰岛A细胞分泌胰高血糖素，实现升糖的目的。本方法属国际首创，其思路已提交中国发明专利。

本项目研究的目标是探索一种基于微电子技术的糖尿病治疗神经调控方法。其创新思想是：根据人体血糖受神经调节的原理，设计一套微电子系统，用于胰岛细胞的功能调控。其工作原理是：根据血糖水平的先验知识或监控数据，启动体外的穿戴式微电子系统产生功能电刺激（FES）信号，以刺激电流方式传递到植入皮下的无线接收与FES模块，生成刺激信号。血糖升高时，将刺激信号通过一对儿电极施加到控制胰岛细胞的副交感神经上，促进胰岛B细胞分泌胰岛素，实现降糖目的。经过4年的研究，课题组完成了通过迷走神经电刺激调控胰腺细胞分泌胰岛的微电子调控的方案论证，按计划实现了控制胰岛分泌细胞的微电子体外可穿戴信号生成、高频调制和无线发射模块，体内植入无线接收、解调和神经功能电刺激器件和可植入的电极，按计划完成了体内植入式微电子器件的生物相容性研究和动物体内植入手术研究，开展了模型动物兔子的迷走神经刺激动物实验。此外，创新提出了通过耳穴无创电刺激调控胰腺细胞分泌胰岛的微电子方法，完成了方案论证、系统设计、电路制作和初步人体实验。根据研究成果发表期刊论文11篇，其中SCI论文10篇，会议论文10篇，其中EI收录6篇；申请发明和实用新型专利3项，获得授权2项。培养出博士生6名，硕士生9名；在读博士生6名，在读硕士生10名。并在研究成果基础上，特别是在植入式迷走神经功能电刺激研究的基础上，课题组负责人及团队于2020年参与了GF项目“脊髓ZC后神经网络修复机制及关键技术研究”第四课题的申报，获得批准。目标是建立可植入体内、与中断的脊髓神经接口的微电子调控系统，实现受损神经信道的有源桥接，并检测该系统对脊髓上下行感觉-运动神经环路神经信号的中继再生以及功能恢复的作用，从而实现大鼠及非人灵长类动物脊髓ZC伤后感觉运动功能的重建。目前该项目已经完成中期评估，达到预定目标。项目将于2024年底完成。