新型植入式胃电刺激器的刺激效果及组织相容性动物实验研究

李艳梅 ，姚树坤，麦宋平，姚力，陈少轩，张伟硕，郭文娟，张春

1 北京协和医学院 中国医学科学院，北京，100730

2 中日友好医院 消化内科，北京，100029

3 清华大学微电子学研究所，北京，100084

胃电刺激器治疗肥胖是一种新的方法，虽然临床研究及应用已有十余年，但该技术仍有待进一步改进。我们与清华大学微电子学研究所联合研制了新型的可调式胃电刺激器，为了验证该仪器的疗效和安全性，了解胃电刺激器植入体内后的生物相容性，进行了以下实验。

1 实验方法

1.1 实验对象

健康成年雌性比格犬(体重8～12 kg)共8只，由军事医学科学院实验动物中心提供。

1.2 胃电刺激器

由清华大学微电子所提供的可调式胃电刺激器（NES-GH-SPA-01），包括埋植于皮下的脉冲发生器(Pulser)、连接胃壁和脉冲发生器的刺激电极(Electrode)和编程棒(Programming Stick)三部分。

1.2.1 脉冲发生器

封装在钛壳中的脉冲发生器组成主要包括：无线通信模块、中央控制模块和刺激输出模块三个部分。它们的功能如下：无线通信模块主要负责编程棒和脉冲发生器之间的无线通信，实现无线程控的目的；中央控制模块处理编程棒的指令，必要的时候回复数据；刺激输出模块依据中央控制模块提供的刺激参数，由中央控制模块控制其开启刺激或者关闭刺激。使用医用纯钛（符合美国ASTMF67标准，含钛99%以上）制成脉冲发生器的外壳，见图1。

1.2.2 刺激电极

目前，胃电刺激器的电极采用心脏临时起搏器的电极，YS99-01临时起搏导线，见图1。该产品以不锈钢为原材料，采用聚四氟乙烯材料作为导线的外包皮。在此设计版本中，电极以硅胶垫片固定在胃壁上。

图1 脉冲发生器和电极外观Fig.1 Diagram of the Pulser and Electrode

1.2.3 编程棒

在体外调控脉冲发生器，设置胃电刺激参数及刺激时间，发送指令，使脉冲发生器进入待机状态、工作状态或休眠状态，见图2。

图2 编程棒外观Fig.2 Diagram of the Programming Stick

1.3 动物模型制备

动物禁食8小时以上，通过腹腔注射4%戊巴比妥钠(0.1 mL／kg，中国医药公司)及肌肉注射速眠新（0.1 mL／kg，长春军事科学院军事兽医研究所）麻醉。监测生命体征：舌颜色、脉搏、呼吸频率。经腹壁正中切口，自剑突下2 cm向下切开5 cm，暴露胃前壁及幽门，将1对临时起搏电极植入胃浆膜下，位置为沿胃大弯侧幽门上3 cm（胃的远端），电极间的距离为1 cm，用硅胶垫片固定在胃壁上。电极的另一端自腹壁切口处引出，用导线与脉冲发生器相连。在右上腹肋缘下皮下分离出囊袋，将脉冲发生器埋置于此囊袋中，关闭囊袋。导线在腹腔内的游离距离为6-10 cm。间断缝合腹壁切口。术后动物恢复2 w，进入实验。

本实验由中日友好医院伦理委员会批准同意。

1.4 胃电刺激方法

应用胃电刺激器进行胃电刺激。刺激模式为串脉冲：输出电流频率40 Hz,电流10 mA,波宽0～10 ms，2 s-on、3 s-off的周期性矩形脉冲。在前期实验中根据摄食情况筛选有效的胃电刺激参数，按照此参数（每只动物波宽不同，波动在1～6 ms之间）进行胃电刺激1个月。筛选刺激参数的条件：显著减少摄食量，但不引起明显症状的一组参数。

1.5 胃电刺激器植入体内的生物相容性观察

为了检测植入设备的生物相容性，我们在实验中观察了动物活动状况，创口有无渗血、红肿和化脓等迹象。距离手术时间6 w时，结束实验，麻醉动物，观察胃电刺激器有无移位，肉眼观察其周围组织情况。然后处死动物，取电极和脉冲发生器埋置部位的组织，进行10%中性甲醛固定，经脱钙、石蜡包埋、切片和HE染色，光镜下观察界面区域是否存在炎症、组织坏死等情况。

2 结果

2.1 胃电刺激引起的症状

狗对胃电刺激的耐受性好，一般情况良好，生命体征均很稳定，无严重并发症出现。低强度胃电刺激一般不引起症状，或者仅引起吠叫和运动稍增多，此时即出现显著的摄食减少。刺激脉宽达到10 ms时，一些狗仍能够耐受。一些不能耐受狗的症状表现为呕吐、明显躁动和吠叫。

2.2 胃电刺激对摄食量的影响

胃电刺激能够显著抑制狗的食欲，减少摄食，平均摄食量由每天280 g狗粮减少至每天210 g，减少了25%。

2.3 脉冲发生器及电极固定部位的病理改变

本实验中，胃电刺激器植入6 w内，动物饮食和活动良好，伤口均在7 d左右完全愈合。局部无肿胀、渗血、化脓和材料排出情况。取样时肉眼观察，植入物无移位，周围有纤维包膜包绕，贴近材料的组织未见腐蚀产物、结节和感染等现象，包膜与植入物容易分离。

显微镜下观察，脉冲发生器（钛壳封装）埋置在皮下的部位，可见囊壁形成，囊壁致密，由成纤维细胞组成。周围组织结构清晰，部分标本可见周围组织轻度的充血、水肿、小血管增生和少量炎细胞（包括中性粒细胞、淋巴细胞和单核细胞）浸润，见图3和图4。刺激电极用硅胶片固定于胃浆膜处，可见原硅胶所在部位形成囊壁，由纤维组织构成，周围炎症反应较轻，见图5。

3 讨论

肥胖已经逐渐成为我国严重的公共健康问题，尚缺乏理想的治疗方法。肥胖治疗药物，因副作用明显而相继退出市场或临床前研究，手术治疗创伤及风险较大，患者难以接受，需要研究开发新的肥胖治疗方法。

图3-4 脉冲发生器植入部位（皮下）：囊壁形成，伴轻度炎细胞浸润和小血管增生。Fig.3-4 Site of Pulser,implanted subcutaneously:a cyst wall was formed,with mild inflammatory reaction

图5 胃壁外硅胶植入处：囊壁形成。（×40）Fig.5 Site of silica gel,implanted outside of the gastric wall:a cyst wall was formed

20世纪90年代初，意大利外科医师Valerio Cigaina[1]首次发现胃电刺激可引起动物摄食行为改变和体重下降。之后，他将胃电刺激方法用于人类肥胖的治疗，显示出良好的减重效果[2]，从此胃电刺激治疗肥胖日益引起医学界的关注。胃电刺激系统包括电子脉冲发生器和一根类似心脏起搏的导线，将电极埋植于远端胃壁浆膜下肌层，由脉冲发生器发放一定模式的电脉冲刺激，从而影响胃的运动、抑制食欲并减轻体重，其操作技术较减肥手术简单，且不改变胃肠道的正常解剖结构。目前主要有意大利、德国、比利时和澳大利亚等国开展该项工作，全球已近2000例肥胖患者接受胃电刺激治疗。研究结果显示，可使超重体重减少(excess weight loss,EWL) 5-30%，且安全性良好[3]。

临床研究发现，胃电刺激对部分肥胖患者疗效欠佳[4]。目前临床上应用的胃电刺激器主要是Medtronic Transneuronix公司的Tanscend，MetaCure公司的Tantulus系统等。这些胃电刺激器均由神经电刺激器发展而来，刺激参数均为串脉冲（见图6，参数2s-on 3s-off,20-40 Hz,波幅6-10 mA,波宽0.3 ms），参数不可调节，波宽较短。动物实验发现，个体对胃电刺激的反应存在差异，需要实现刺激参数的可调[5]；波宽为数ms的胃电刺激与0.3 ms的刺激相比，能更有效地抑制胃动力，对摄食和体重的影响更为显著[6]，故需要增加胃电刺激器输出的波宽，这些因素是限制其临床应用及疗效的主要因素。目前为止，尚无理想的植入式胃电刺激器的闻世。

图6 串脉冲的脉冲信号示意图Fig.6 Diagram of pulse train

自2008年起，我们与清华大学微电子学研究所联合研制了新型的可调式胃电刺激器，可输出的胃电刺激脉冲波宽可大大增加，以满足临床需要。同时可从体外发送指令调节刺激参数，实现参数的连续可调和多样化组合。该胃电刺激器已经通过体外验证及动物的预实验，初步结果表明，能够提供满意的刺激信号和能量。

本研究表明，该胃电刺激器植入比格犬体内后，连续刺激1个月，期间动物耐受性良好，未出现严重并发症，表明其安全性良好。胃电刺激后，动物摄食量明显减少，该胃电刺激器能够抑制动物摄食，从而可能引起体重减少，胃电刺激器对体重的直接影响还需通过慢性实验进行观察。

胃电刺激器是植入机体的设备，手术中将电极固定在胃浆膜下，将脉冲发生器埋置在腹壁皮下囊袋中。目前动物实验阶段所采用的电极为用于临床的临时起搏导线，用硅胶垫片固定在胃壁上，脉冲发生器的外壳为医用纯钛。胃电刺激器直接与机体接触的材料包括医用纯钛、硅胶和聚四氟乙烯，三者均为常用的生物植入材料，在临床应用已数十年，生物相容性良好，广泛应用于医学领域。纯钛质轻，有良好的耐腐蚀性；硅胶柔软、高弹性，有良好的生理惰性，耐体液腐蚀；聚四氟乙烯分子结构稳定，有高度的耐化学性和耐热性，无致癌、致突变报道[7]。

胃电刺激器植入比格犬体内6 w后进行病理学观察，可见胃电刺激器在犬的皮下和胃浆膜处引起纤维组织增生，形成囊壁包绕，周围组织的炎症反应较轻微。按照医疗器械生物学评价标准实施指南，纤维囊形成分级为2级，植入物周围炎症反应等级为II级，符合医疗器械生物学评价标准[8]，表明胃电刺激器所使用材料的生物相容性良好。

4 结论

本研究显示，犬对新型胃电刺激器耐受性良好，植入后未观察到明显不良反应。串脉冲急性胃电刺激能够显著减少比格犬的摄食量，脉冲发生器局部及电极局部病理反应较轻，组织相容性良好。该胃电刺激器对治疗肥胖有潜在临床应用前景。

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[8] 郝和平.医疗器械生物学评价标准实施指南[M].北京,中国标准出版社,2000.