功能齐全、健康的膀胱是我们许多人认为理所当然的事情。然而，数百万美国人正在应对膀胱问题，从暂时的不便到长期的疾病。虽然许多膀胱疾病可以通过非侵入性解决方案进行治疗，但有些情况可能需要手术才能恢复膀胱功能。

对于膀胱问题严重的患者， 可能需要进行膀胱切除术 。在此过程中，部分或全部膀胱被切除(原因可能包括急性创伤或膀胱癌)。有时，为了弥补组织的损失，膀胱会被扩大(变大)，通常是用患者的一块肠组织。脊髓损伤或先天性疾病(如脊柱 裂 或 膀胱外翻)患者也可以进行膀胱扩大术。

虽然膀胱扩张术可以大大改善患者的生活质量，但该手术 并发症风险很高，并且术后数月患者需要接受广泛监测。美国每年进行数千例膀胱手术，但数十年来膀胱扩张术和监测技术一直未取得显著进步。

西北大学的一个由 NIH 资助的合作团队正在努力改变这一现状。他们从两个不同的角度着手解决这一问题：利用植入细胞的可生物降解结构来改善膀胱功能，这种结构既能增大膀胱，又能促进组织再生;同时通过开发可植入的膀胱传感器来增强对患者的监测。他们经过多年的研究，已经达到了一个重要的临床里程碑——在非人类灵长类动物模型中评估他们的技术。

“随着生物技术的进步，它们需要与人体更加无缝地结合，”美国国家 生物医学成像 和 生物工程研究所 (NIBIB) 发现科学与技术部项目主任 Jessica Falcone 博士说道。“该研究团队已成功实现了与膀胱的接口，同时又不影响其功能，连接了组织再生和柔性生物电子学领域。这些进展可以改善未来需要膀胱手术的患者的生活。”

打造更好的膀胱替代品

膀胱扩大手术已有 超过一个世纪的记录，但直到 1950 年以后才开始常规实施。通常，手术会切除一段回肠 ( 小肠的一部分)，并将其添加到膀胱中，以使其变大。但这两种组织彼此截然不同——膀胱是排泄器官，而肠道是吸收器官。

“尽管使用肠道组织进行膀胱扩张术是几十年来的黄金标准，但它却充满了许多临床并发症，”研究作者、西北大学教授、卢里儿童医院和斯坦利·曼恩儿童研究所儿科泌尿再生医学和外科研究主任阿伦·夏尔马博士说。“这两种组织在解剖学和生理学上不相容，导致患者重建的膀胱容易出现功能障碍、感染和失败。”

Sharma 和他的同事没有使用回肠来修补膀胱，而是探索了另一种选择：使用一种合成结构来帮助原生膀胱组织再生。 植入自体干细胞的支架 可以促进膀胱组织生长，同时还可以物理增大膀胱。一段时间后，支架会生物降解，只留下再生的膀胱组织。他们的研究 最近发表在PNAS Nexus 杂志上 。

促进膀胱再生的支架 此前已被开发，但最终临床评估后均未取得成功。在这项研究中，研究人员转向柠檬酸，这是一种天然存在的分子，可以很容易地与其他材料交联，从而影响其物理和化学性质。研究合著者、西北大学高级再生工程中心主任、理学博士 Guillermo Ameer 此前曾报道过 用于肌肉骨骼应用的可生物降解的柠檬酸盐基支架，但这种 生物材料 需要进行调整才能用作膀胱替代品。

“支架需要模仿膀胱的柔软性和弹性，但也需要可缝合并能有效容纳尿液，”Ameer 解释道。“通过精确控制支架的交联程度，我们可以改变其硬度，同时保持其弹性和生物降解性，同时促进植入干细胞的生长，从而再生膀胱组织。”

研究小组在狒狒模型中评估了他们的细胞植入生物材料，用可生物降解的支架或回肠来增大膀胱。在对狒狒进行两年的监测后，他们发现与用天然回肠治疗的动物相比，用可生物降解支架治疗的动物临床并发症(包括尿路感染、肾肿胀和 膀胱输尿管反流)明显减少。更重要的是，当研究人员分析再生的膀胱组织时，他们发现它的成分与正常膀胱组织相似——即肌肉和胶原蛋白的比例和其他生理特征相等。另一方面，回肠主要由肌肉组织组成，这与膀胱组织在机械上不匹配。

“我们发现，当我们将骨髓干细胞群植入支架时，这些细胞会接管移植物并模拟天然膀胱组织，”Sharma 解释道。“从组织学和功能的角度来看，我们发现再生组织和天然膀胱难以区分。”

更重要的是，该团队的生物材料表现优于回肠，回肠通常用于人类膀胱扩张。“这项研究具有很高的转化价值，”夏尔马说。“从解剖学和生理学角度来看，目前还没有比它更好的人类膀胱模型。这真的可以为临床试验奠定基础。”

监测膀胱功能的智能传感器

患者接受膀胱手术后，需要监测膀胱功能，以确保膀胱正常工作。这通常是通过 尿动力学测试来完成的，这是一种有点侵入性的程序，可以提供有关膀胱的信息，例如其有效容纳和排尿的能力。除了不舒服之外，尿动力学测试必须在医生办公室进行，只能提供膀胱在某一特定时间点的功能快照。

尿动力学测试的一个潜在替代方案是在膀胱手术时植入传感器。该传感器将无线传输关键信息，例如膀胱何时扩张和收缩，医生可以使用这些信息远程监控膀胱功能。这种传感器可以立即通知临床医生潜在的膀胱并发症，加快患者的护理并最终改善整体结果。

Sharma、Ameer 和同事、西北大学 Querrey Simpson 生物电子研究所所长 John Rogers 博士将植入式膀胱传感器推向临床。他们的设备在狒狒身上进行了评估， 最近在PNAS 杂志上 报道，该设备成功监测了膀胱功能八周，没有观察到任何不良反应，这表明这项技术有朝一日可能成为尿动力学测试的可行替代品。

夏尔马说：“该平台使我们能够长时间连续监测膀胱，提供与标准尿动力学测试非常相似的信息。”

Sharma 表示，该设备的实时组件是进步——它使临床医生能够及时采取行动。在传统情况下，患者可能会怀疑自己有膀胱问题，然后安排尿动力学测试(可能要等几周才能进行)，然后等待结果解释，这最终会延误他们的治疗，他解释说。“我们的技术可以颠覆这种模式，”Sharma 说。

该传感器由三个主要部分组成：应变计，用于感知膀胱何时扩张;基站，包含电池和蓝牙芯片，用于无线传输信息;以及连接这两个组件的螺旋线圈。应变计的数据可用于计算膀胱压力，这可以指示膀胱功能障碍、即将发生的泌尿道问题以及随后的肾衰竭，这可能会危及生命。

研究团队在狒狒模型中评估了他们的平台，分析了传感器在膀胱正常动物和部分膀胱切除动物身上的性能。该设备无线传输膀胱数据达八周(研究持续时间)，可以连续估计膀胱压力。正如预期的那样，与对照动物相比，部分膀胱切除动物的膀胱压力差异更大(因为较小的膀胱必须扩张更多才能容纳相同量的尿液)。

Sharma 表示：“我们的研究结果表明，我们的平台可以远程监测接受膀胱手术的患者和部分膀胱切除术后恢复患者的膀胱压力。”此外，监测平台的所有组件都可以设计为可生物降解，这意味着患者不需要进行第二次手术来移除传感器。

“由于患者在膀胱手术后需要接受大约 3-6 个月的监测，因此短期、可生物降解的传感器对这类人群来说是理想的选择，”Ameer 说道。“ 我们团队之前曾描述过可生物吸收的平台 ，我们发现，我们的应变计的可生物降解版本在模拟生理条件下完全溶解。”

为患者带来膀胱技术

作者指出，这两项研究都代表了再生研究的关键进展，并且传感器技术是生物电子领域令人兴奋的一步，因为该平台可以提供有关膀胱和植入式传感器性能的持续信息。

“从制造的角度来看，公司希望知道他们的设备是否按预期运行，而智能电子设备有能力提供此类信息，”Ameer 说。“再生生物电子领域将帮助许多不同的利益相关者，从制造商到临床医生再到患者。最重要的是，智能再生系统将帮助患者根据自己的需求和自己的数据做出决定。”

Ameer 还指出，临床前和临床研究只是将这种技术带给患者的第一步。“这是我们面临的挑战之一，试图弥合出版物和产品之间的差距，这通常需要行业或慈善机构的参与以及 FDA 的批准，”他说。“即使有了这些进步，这些技术仍必须进一步研究，以确保它们对人体安全有效。”