打开电灯开关，治疗影响数百万人的慢性疼痛

手指被刺扎会产生立即的感官反应。在那一瞬间，受伤部位的神经元沿着神经纤维向中枢神经系统发出电信号。我们的大脑会注意避免再次遭遇荆棘，痛苦的侮辱也会消退。

但一些健康状况会导致疼痛这是一种慢性的、使人衰弱的、经常令人困惑的疾病。疼痛可能源于身体深处的器官，并可能影响它们的功能。长期服用药物治疗这种不适可能会产生不良的副作用，包括药物依赖。

间质性膀胱炎/膀胱疼痛综合征仅在美国就影响了数百万人。那些受影响的人会出现腹部不适，随着他们的膀胱充盈，进而导致尿频和尿急。在过去的十年里，研究这种综合症和其他神经疾病的神经科学家们转向了一种叫做光遗传学的生物技术，这种技术利用基因疗法和光来控制神经元的开启和关闭，并有可能使其开启和关闭慢性疼痛信号。

为了实现光遗传效应，研究人员可以在感知疼痛的神经元中诱导被称为视蛋白的光敏蛋白的表达。视蛋白可以从藻类或其他生物中提取，但也是眼睛感知光线机制的一部分。由于它们可以调节到特定波长的光，因此在治疗各种涉及产生电化学脉冲的易兴奋细胞(如神经元和肌肉纤维)的疾病时，它们具有很好的作用。在痛觉神经元中，视蛋白可用于激活或关闭来自外周神经系统的疼痛信号。

在2017年11月22日发表的一项研究中科学报告美国国家生物医学成像和生物工程研究所(NIBIB)资助的研究人员报告了光遗传学首次用于减轻膀胱疼痛。他们在小鼠身上的实验结果为迫切需要的人类疗法带来了希望。

“这项研究代表了一项复杂的新技术，在了解外周神经系统如何与膀胱相互作用方面具有巨大的潜力，并导致了管理膀胱功能和疼痛的新疗法，”Michael Wolfson博士说，他是可植入和辅助医疗设备NIBIB项目的主任。

在他们的研究中，来自圣路易斯华盛顿大学医学院和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究小组用在痛觉神经元中表达的光敏视蛋白的小鼠进行了测试。他们还在一些老鼠体内植入了小型、灵活、可无线控制的发光二极管(LED)装置。通过拨动LED的开关，他们激活视蛋白，使神经元信号沉默，导致缓解疼痛为了动物。在之前的一项研究中，他们表明这种方法可以控制老鼠四肢的疼痛;在目前的研究中，研究人员用受膀胱疼痛影响的小鼠测试了类似的光遗传系统是否可以用于控制体内深处的神经元。

共同资深作者Robert W. Gereau IV博士是Seymour博士和Rose T. Brown麻醉学教授和华盛顿大学疼痛中心主任。他的团队研究慢性疼痛的细胞和分子机制，并与受这种疾病影响的患者的临床医生合作。他说:“泌尿科医生习惯于处理源于膀胱的问题，一种流行的假设是，这个问题主要是神经系统的功能障碍。”“这种光遗传学方法可能是一种无需药物的方法，可以阻断来自膀胱的局部神经。”

共同资深作者John A. Rogers博士，伊利诺伊大学材料科学与工程教授，设计了该研究中使用的植入LED设备。他的团队制造了微型、无线供电的可植入设备，这些设备灵活、可拉伸，所以它们不会妨碍动物的运动。他们之前已经开发了一种植入老鼠头盖骨的装置，可以直接与实验室动物的大脑连接。

罗杰斯说:“我们能够开发出完全可植入的设备，用于无线控制和将光线传输到动物的目标软组织区域，在这个例子中就是膀胱。”“这些系统的超薄、灵活的设计是独一无二的;无电池操作;他们使用了微型发光二极管，因此可以在动物体内稳定运行，在许多月内没有任何可测量的不良影响。”

研究人员使用小鼠进行了一系列测试，这些小鼠的基因组被修改为表达一种对绿光有反应的视蛋白。他们设计了一个实验，使用这些无线LED设备激活视蛋白，导致痛觉神经元沉默，但只在膀胱的选定区域。

研究人员在老鼠身上进行了三项测试。在第一个实验中，他们记录了膀胱充盈过程中腹部肌肉反应的电子信号。正常小鼠和培育了光敏视蛋白基因的小鼠都被纳入测试。当光纤电缆发出的LED光照射膀胱时，电子信号测量结果显示，转基因小鼠在光线照射下疼痛减轻。

接下来，研究人员进行了一项测量参照疼痛的测试，在参照疼痛中，疼痛是在与原始刺激部位不同的位置感受到的。在这种情况下，膀胱的疼痛可以在腹壁感受到。Gereau说:“膀胱疼痛综合症患者对腹部的压力高度敏感。”“你可以通过对腹部的机械压力定量地测量过敏。”在这项试验中，带有视蛋白的动物获得了完全逆转的所指疼痛。

他们设计了一个进一步的测试，以确定患有膀胱疼痛的老鼠是否对激活无线LED植入物的疼痛缓解有反应。研究人员把老鼠放在一个v形迷宫中，在那里动物可以自由地从一端移动到另一端，同时一个摄像机记录下它们的运动。没有膀胱疼痛的老鼠——不管它们是否被培养成对光敏感视蛋白——可以预见地喜欢蜷缩在迷宫的遥远角落，而对LED打开的那一边没有偏好。“老鼠喜欢躲在这些东西的角落里，”格罗解释说。

在另一组经历膀胱疼痛的老鼠身上，研究小组观察到了截然不同的结果。那些没有光敏视蛋白的老鼠随机找了一个角落挤在一起。但是那些带有光敏视蛋白和植入LED的老鼠更喜欢迷宫的尽头，在那里研究人员无线激活了LED。

格罗说:“老鼠在迷宫里待20分钟，它们会把脚放在自己想去的地方投票。”“据我所知，这是我们在疼痛领域第一次能够令人信服地证明，动物有持续的疼痛，我们能够在每时每刻的基础上缓解疼痛。”

要使这种方法最终应用于人类慢性疼痛，还需要克服基因治疗方面的重大挑战，但硬件很快就会准备就绪。格罗说:“我们已经在使用植入式刺激器——我们有脊髓刺激器、周围神经刺激器和深部脑刺激器——所有这些东西都被用来治疗神经疾病。”“我们正试图找到安全、不成瘾性的治疗疼痛的方法。”他设想病人可以使用智能手机应用程序来调节植入led的激活，以调节他们的慢性疼痛。

正如其他在膀胱疼痛研究团体已经了解到该团队开发的创新设备，他们对使用他们的无线LED植入技术很感兴趣。多达60个其他研究团队已经开始在动物实验中使用这种设备。罗杰斯说:“这些设备很容易植入，它们几乎可以在动物的任何部位稳定可靠地运行。”“成本结构是这样的，它们可以被视为一次性使用的平台，在动物体内基本上可以永远使用。我们有几家仍在运营老鼠我们在近两年前植入了它，没有发现任何问题。”