糖尿病及其并發癥嚴重威脅著生命安全和人類健康，是全球關注的公共衛生問題。血糖控制是糖尿病干預和患者管理的關鍵。傳統生活方式干預、藥物、手術等療法使不少患者受益。然而，由于患者依從性差、藥物副作用、手術適應證局限等問題的存在，仍有患者難以有效控制血糖水平。隨著生物電子醫學的發展，神經調控技術以其特有的優勢，在血糖控制和糖尿病干預領域展現了巨大的潛力。本文主要綜述外周神經電刺激、超聲神經調控、光遺傳學等神經調控技術在血糖水平調節和糖尿病干預領域的研究進展和最新成果，分析存在的問題并展望發展趨勢，以推動神經調控技術治療糖尿病的臨床研究及應用。
引用本文： 劉洪運, 王衛東. 血糖調節和糖尿病干預的神經調控技術研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2023, 40(6): 1227-1234. doi: 10.7507/1001-5515.202307019 復制
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0 引言
糖尿病及其并發癥嚴重威脅著人類健康和生命安全，是全球十大死因之一[1]。2021年，全球20～79歲的人群中約5.37億患糖尿病，我國糖尿病患病人數達1.4億，居全球首位 [2]。有效的血糖控制和糖尿病治療對改善患者臨床結局、降低并發癥風險、減少醫療成本以及提高生活質量至關重要。生活方式干預、藥物治療、胰島素注射、代謝手術、人工胰腺、胰腺或胰島細胞移植等在1型糖尿病（type 1 diabetes，T1D）和2型糖尿病（type 2 diabetes，T2D）治療方面取得了長足進步[3]，但仍有近50%的患者難以有效控制血糖水平[4]。神經調控技術可以通過生物電子醫學裝置以電、磁、光、聲等物理刺激的方式影響、改變和調節機體的功能，進而緩解、控制、治療疾病，在血糖控制、糖尿病干預方面展現了巨大的潛力，也取得了重要的研究進展和成果[5]。
然而，目前國內外尚缺乏關于迷走神經刺激（vagus nerve stimulation，VNS）、交感神經刺激等外周神經電刺激，超聲刺激，光遺傳學等神經調控技術調節血糖、干預糖尿病研究的全面性綜述。本文旨在分析、總結多種神經調控技術在血糖水平調節和糖尿病干預研究領域的最新進展，歸納相關技術存在的不足并展望發展趨勢，為具備高時空分辨率、高度靶向性、可逆性、可調節性和持久性優點的神經調控技術干預治療糖尿病提供思路和借鑒。
1 外周神經電刺激
中樞神經系統、自主神經系統及內分泌系統的協同作用是維持糖代謝穩態的基礎[6]。外周感受器及血糖濃度信息經葡萄糖激酶感知、傳遞后，通過自主神經系統的迷走神經傳入通路上行至下丘腦，信息經中樞神經系統整合后釋放激素并選擇性激活自主神經系統的交感神經或迷走神經傳出通路進而支配血糖調控核心器官（胰腺、肝臟、腸道）的糖代謝機制，適時調節胰島素、胰高血糖素等激素的分泌，調控肝糖元的合成或分解，介導葡萄糖的存儲與利用，從而維持糖代謝穩態（見圖1）。因此，迷走神經、交感神經及其分支是血糖濃度調控的重要靶點，通過電刺激不同部位的上述外周神經能夠潛在地影響糖代謝過程。頸部迷走神經刺激（cervical vagus nerve stimulation，cVNS）、腹部外周神經刺激、耳迷走神經刺激（transcutaneous auricular vagus nerve stimulation，taVNS）等外周神經電刺激技術具備血糖水平調節和糖尿病治療的潛力（見表1[7-17]）。
圖1
外周神經電刺激調控血糖的機制
Figure1.
The mechanism of peripheral nerve electrical stimulation in regulating blood glucose
表1
外周神經刺激的糖代謝調控效應
Table1.
The effects of peripheral nerve stimulation on regulation of glucose metabolism
1.1 頸部迷走神經刺激
cVNS技術是埋植在胸前皮膚下方的脈沖發生器通過皮下走線向纏繞在左側頸部迷走神經上的電極施加間歇性電刺激，以實現治療疾病之作用。研究表明，頸部迷走神經離斷后，通過電刺激其近端可降低血糖[18]。理想狀態下，人們希望通過cVNS激活迷走神經的下行通路，增強對肝臟、胰腺、胃腸道的調控，通過促進胰島素分泌、肝糖原合成、葡萄糖利用來降低血糖。然而頸部迷走神經由約20%的傳出纖維和80%的傳入纖維構成，當前cVNS技術主流的螺旋電極難以實現傳出纖維的選擇性刺激，且存在“脫靶效應”，這也導致cVNS調控血糖的一致性難以保證。Stauss等[19]和Liu等[20]在回顧性分析接受cVNS治療的癲癇患者數據時，就發現cVNS可能會增加高血糖的風險。
電極的空間分辨率是制約cVNS調控血糖技術發展的關鍵。為了提高電極的空間選擇性以實現精準神經調控，多觸點表面電極和神經內電極成為重要研究方向。Aristovich等[21]基于大型動物綿羊模型驗證了多觸點表面電極的性能，通過配置不同的觸點以選擇性激活支配心臟和肺的迷走神經束，分別實現了心率和呼吸頻率的控制。Horn等[7]利用粘性水凝膠多觸點電極包裹大鼠頸部迷走神經，發現cVNS在限制對心血管系統影響的同時，在腹部迷走神經產生電活動，證明了水凝膠多觸點電極的空間選擇能力。Strauss等[8]研發了面向頸部迷走神經的神經內電極，也為神經束的選擇性刺激提供了更精確的手段。然而，集成新型空間選擇電極的cVNS技術在血糖調節和糖尿病干預方面的作用仍有待驗證。
1.2 腹部外周神經刺激
為了盡可能降低刺激頸部迷走神經引起的“脫靶效應”，腹部迷走神經主干及靠近肝臟、胰腺的迷走神經、交感神經分支成為電刺激調節血糖和干預糖尿病的潛在靶點[22]，刺激參數、刺激模式等調控策略因直接影響干預效果而成為研究焦點。Yin等[9]指出小于40 Hz的低頻腹部VNS可以降低T2D大鼠的血糖，而5 Hz時VNS的降糖作用最為顯著，這可能與交感-迷走張力失衡狀態的改善、胰島素敏感性的增加以及胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）的釋放有關。Payne等[10]在傳統刺激模式的基礎上提出了低頻、高頻、傳出、傳入等刺激策略。在后續清醒、自由活動T2D大鼠模型試驗中，通過對植入腹部迷走神經前干的中間電極對施加26 kHz高頻脈沖、對遠端電極對施加15 Hz低頻脈沖，以阻斷迷走神經傳入通路來實現傳出迷走神經通路的有效激活[11]，一定程度上證實了新調控策略調節血糖的可重復性、作用持久性及安全性。
而針對自身免疫性疾病T1D，Guyot等[12]首次利用低頻、低幅電流刺激小鼠胰腺交感神經，通過誘發T1D小鼠胰腺淋巴結中T細胞和B細胞的積累、促炎性細胞因子表達減少、抗原交叉呈遞抑制等一系列免疫調節作用，延緩T1D病程進展。這項極具創新性的工作為胰腺交感神經電刺激治療自身免疫系統疾病T1D提供了新的可能的技術方案。Waataja等[13]基于新型的靶向雙迷走神經調控技術同時刺激T2D大鼠的肝臟和腹腔迷走神經分支，發現T2D大鼠的葡萄糖耐受顯著改善。該研究首次實現了迷走神經兩個靶點的同時獨立干預，證實了其增強血糖控制的可行性，為血糖水平調節和T2D干預提供了一種潛在的精準調控策略。然而，將電極植入到腹部、肝臟、胰腺等迷走神經分支上往往需要進行相對復雜的手術，手術收益可能低于手術風險。因此，有必要開展進一步研究，評估在肝臟、胰腺等迷走神經分支水平植入電極進行靶向VNS的最優調控策略并將其調節血糖的效應最大化。
1.3 耳迷走神經刺激
taVNS利用脈沖發生器輸出特定幅度、脈寬、頻率的電流脈沖，經耳部電極對耳甲這一體表唯一具有迷走神經傳入纖維分布的區域進行刺激，通過干預迷走神經耳支這一外周通路調節腦干、丘腦、大腦皮層等中樞神經系統的功能，進而影響糖代謝，具有非侵入性的優勢和更高的安全性。Yu等[14]發現taVNS可使T2D大鼠減重，并有效地降低和穩定維持血糖水平。Zhang等[15]進一步指出taVNS可顯著改善T2D大鼠的高血糖狀況和增加血清胰島素濃度，在延遲T2D的發生和抑制疾病進展方面具有良好的效果。taVNS技術在T2D大鼠模型上展現了不俗的血糖調節和糖尿病治療能力，也為人體試驗的開展提供了借鑒。Vosseler等[16]在15例健康受試者口服葡萄糖耐量測試過程中進行taVNS，發現在整個150 min的刺激過程中，受試者的葡萄糖水平、胰島素分泌、胰島素敏感性沒有顯著變化。與此結果不同，Kozorosky等[17]在研究健康人即時taVNS的糖代謝效應時，指出taVNS在無熱量攝入的情況下，能夠降低血糖水平，但對胰島素、胰高血糖素則無明顯影響；而在有熱量攝入時，可導致血糖和胰島素水平升高。taVNS因其非侵入的特點是最容易被廣大糖尿病患者接受的神經調控療法，但受納入樣本量、試驗范式、刺激參數、“安慰劑”效應等因素的影響，taVNS調節血糖的作用仍不明確。未來可結合心率變異性分析等自主神經功能無創評估方法開展taVNS干預糖尿病的隨機雙盲對照試驗，進一步闡釋taVNS的自主神經功能和糖代謝調控效應。
2 超聲神經調控
低強度聚焦超聲（low-intensity focused ultrasound，LIFU）是新型的非侵入式神經調控技術，主要通過機械效應、空化效應對目標靶區的神經元活動進行調控，在神經元的激活和抑制、神經和組織的再生、認知和行為的改善方面發揮著重要作用[23]。與傳統需要手術植入電極的神經調控技術相比，LIFU突破了目標靶區或神經尺寸的限制且規避了植入套件的后期管理環節。此外，LIFU技術克服了taVNS、經顱磁刺激及經顱直流電刺激等空間分辨率低以及難以作用于深部組織的缺點。超聲神經調控技術通過超聲刺激肝臟、胰腺、腹部等核心外周器官、組織，激活肝-腦通路、糖代謝通路，促進胰島素分泌，改善胰島素抵抗，實現血糖水平的有效干預，憑借其非侵入性、高空間分辨率、強穿透性等優勢在糖代謝調控領域備受關注，如表2[24-28]所示。
表2
超聲神經調控的糖代謝調控效應
Table2.
The effects of ultrasound neuromodulation on regulation of glucose metabolism
早期研究證明了超聲刺激調控糖代謝的頻率和位置選擇性，為超聲神經調控技術調節血糖水平提供了理論和實驗基礎[24]。Cotero等[25]在后續研究中證實：T2D大鼠、小鼠和豬等多種動物模型在外周聚焦超聲刺激（peripheral focused ultrasound stimulation，pFUS）作用下均表現出可重復的血糖降低。此外，每天3 min的慢性pFUS，不僅可以提高外周組織尤其是骨骼肌的葡萄糖攝取、利用和糖原積累，而且能夠全面改善葡萄糖耐受性和胰島素敏感性，這與下丘腦神經肽（neuropeptide Y，NPY）通路標記物的下調有關，而離子通道腫瘤壞死因子受體相關蛋白1（tumor necrosis factor receptor associated protein 1，TRAP1）在代謝控制環路中對超聲刺激的轉導不可或缺。因此，通過pFUS靶向調控肝-腦自主神經通路以預防或逆轉糖尿病的高血糖，具有潛在的巨大臨床轉化效益。Chang等[26]通過改變刺激靶點對干預糖尿病的超聲神經調控技術進行優化，明確給予T2D大鼠腹部中脘穴超聲刺激5 min即可使血糖濃度平均下降11.5%，多次超聲干預可致血糖水平連續3周下降，并改善葡萄糖耐受。此外，血液分析發現單次超聲刺激能使β-內啡肽的濃度平均升高58.1%，這可能是誘導胰島素分泌增加進而降低血糖水平的作用機制。
基于臨床前研究的經驗，Saab等[27]將仿真技術與超聲神經調控技術結合，利用正常體重和肥胖青少年的計算機斷層掃描（computed tomography，CT）圖像構建人體腹部模型，并分析1 MHz超聲以不同角度入射對模型胰腺及其周圍組織峰值壓力和溫度的影響，提出從患者腹部前端直接施加5 W/cm2功率的超聲可向胰腺提供一致的聲壓，并能有效地誘導臨床前模型中的胰島素釋放，一定程度上證實了非侵入式超聲在T2D臨床治療中的可行性。近期Ashe等[28]完成了pFUS治療T2D的Ⅰ期臨床試驗，為糖尿病的超聲神經調控療法提供了初步的臨床證據。因此，通過適當劑量的非侵入性超聲進行靶向神經調控可以降低血糖水平，改善葡萄糖耐受性以維持葡萄糖穩態，以pFUS為代表的超聲神經調控技術很可能在未來糖尿病干預治療中發揮出重要作用。
3 光遺傳學方法
光遺傳學是一種光控基因技術，通過可控光對編碼光敏蛋白進行靶向刺激，操控細胞生理活動及功能，以解析神經環路和信號網絡[29]。由于光源及其刺激參數的高度可控性，使得光遺傳學工具與傳統的神經電刺激、超聲刺激等神經調控技術相比具備細胞特異性、高時空分辨率、高靈敏度及快速可逆等明顯優勢，開辟了中樞神經系統、心血管系統、內分泌系統、消化系統、免疫系統等疾病治療的新研究范式。
如表3[30-37]所示，Zhang等[30]將貝氏硫細菌可光活化的腺苷酸環化酶（photoactivatable adenylyl cyclase from the bacterium Beggiatoa，bPAC）基因遞送至小鼠胰腺β細胞，用470 nm藍光照射可誘導bPAC表達和激活，在不影響細胞活力和增殖的同時促使胰島素釋放增加，顯著改善了T1D小鼠的糖耐量和高血糖，且效果與促泌素相當。Fontaine等[31]也證實473 nm藍光照射頸部迷走神經可誘導血漿胰島素水平顯著升高，而對胰腺進行光刺激時，胰島素濃度升高的同時伴血糖水平快速下降。相關研究為解析糖代謝穩態的機制和開發糖尿病療法提供了精確有效的技術手段。針對基因脈沖震蕩表達精密控制技術難題，Li等[32]發明了生物發光能量共振轉移技術，并開發了細胞基因表達調控系統，利用分子內能量轉移激活光敏底物發出460 nm藍光，進而啟動基因轉錄與表達。該光遺傳學系統用于T1D小鼠可激活胰島素的脈沖式表達，降低血糖水平和改善葡萄糖耐受，療效可持續13天，且與光敏底物的劑量存在相關性。上述技術創新不僅為探索糖代謝調控網絡提供了新型手段，也為基于光遺傳學技術的精準血糖調節和糖尿病干預提供了極具價值的工具。
表3
光遺傳學刺激的糖代謝調控效應
Table3.
The effects of optogenetic stimulation on regulation of glucose metabolism
除了改進光遺傳學工具中光的波長對血糖調節效應進行優化之外[33, 38]，通過電子信息技術、生物材料和光遺傳學融合控制糖代謝過程，推動光遺傳學調控血糖的研究向前邁了一大步。Mansouri等[34]利用光可激活受體黑素在光照下誘導鈣離子內流和細胞膜去極化原理構建了基于智能手機的iβ細胞胰島素釋放系統。該系統可在15 min后響應智能手機白光照射，重復、可逆地分泌胰島素。用智能手機的手電筒對植入微膠囊iβ細胞的T1D小鼠進行照射，可促進胰島素分泌繼而快速逆轉高血糖。不久的將來，這種自發釋放胰島素的非侵入性iβ細胞系統可能在血糖調節、糖尿病干預中發揮作用。Lu等[35]設計了一種可逆納米探針與光基因工程化細胞共同包裹的水凝膠，它能夠動態監測血糖水平并自適應調節光強，避免光基因的過度表達，實現GLP-1、胰島素分泌的精準調控。利用980 nm近紅外光照射植入水凝膠的糖尿病小鼠，光敏蛋白激活后誘發下游級聯通路合成GLP-1并促進β細胞釋放胰島素進行血糖調節。盡管距臨床應用尚需時間，但這種葡萄糖敏感的納米探針為基于光遺傳學技術的閉環血糖調節提供了新的思路和工具。
利用光遺傳學技術調控不同的靶點，對糖代謝的影響也不盡相同。He等[36]則發現基于光遺傳學技術的藍光激活小鼠下丘腦弓狀核中后亞區的糖抑制神經元，或者黃光抑制小鼠中腦中縫背核的糖興奮神經元，可使正常小鼠的血糖升高。Kwon等[37]在確定肝臟投射黑素皮質能通路的基礎上通過藍光調控，誘導小鼠肝臟糖異生酶表達增加繼而提升了血糖水平。由此可見，光遺傳學方法不僅對糖尿病有潛在的治療價值，而且也為低血糖的干預提供了可能的技術途徑。
4 存在的挑戰及問題
由于神經調控技術本身的局限性、糖代謝調節過程和糖尿病病理機制的復雜性，使得神經調控技術在血糖調節和糖尿病干預的臨床應用方面仍有很多問題亟待解決。
神經調控技術調節血糖和干預糖尿病的作用機制有待進一步闡釋。盡管現在VNS、交感神經刺激、taVNS、超聲神經調控、光遺傳學工具在誘導糖代謝相關激素分泌、血糖水平調節、胰島素敏感性及糖耐量改善方面得到了認可，但相關作用機制尚未完全闡述清楚，這就需要重點關注糖代謝調節的神經網絡和神經環路等關鍵基礎[39]，進一步明確病理機制和作用機制，提升神經調控治療糖尿病效果的可靠性、穩定性與可重復性。
基于神經調控技術的糖尿病干預治療尚無系統規范的臨床試驗研究驗證。通過綜述我們發現，目前基于電、聲、光等物理因子的外周神經電刺激、超聲刺激、光遺傳學刺激等血糖水平調節、糖尿病干預研究，主要以T1D、T2D糖尿病動物模型為對象。試驗動物模型克服了時間和空間的局限，有助于我們了解糖尿病的病理生理特征、糖代謝調控機制、神經調控技術調節血糖的作用機制以及相關產品的安全性和有效性。但不可否認的是臨床前試驗到臨床應用尚有距離，動物與人在生理、解剖等方面存在種屬差異，誘導的疾病模型必然與人類疾病存在差距。這就要求我們充分認識基于糖尿病動物模型的神經調控研究所獲得數據的局限性，解決數據的解釋、推理及向臨床試驗轉化的困難，進而推動基于神經調控技術的糖尿病干預臨床試驗的開展。
基于神經調控技術的有效糖尿病干預治療調控策略仍不明確。個體差異、不同物理因子、不同作用靶點、不同刺激參數以及不同調控時長均可能對最終的血糖水平產生不同程度甚至截然相反的影響[6, 9-11]。針對具體的糖尿病特征，從神經調控的神經、內分泌、免疫等系統的全局、綜合效應入手，整體分析其糖代謝調控效果，構建融合個性化刺激靶點和刺激處方的有效調控策略是當前神經調控技術治療糖尿病面臨的巨大挑戰，也是需要盡快突破的瓶頸。
改進和優化用于糖尿病干預的神經調控技術及設備，在實現血糖調控的前提下進一步降低“脫靶效應”和副作用也是該研究領域需要重點解決的問題。無論是植入生物體的刺激器、電極，還是來源于細菌、藻類等的光遺傳學工具，均存在生物相容性問題，長期植入存在潛在的安全風險。受現有技術空間分辨率的限制，電、聲、光等物理因子作用于生物體很難避免影響目標靶區之外的神經、組織、器官。新型植入物材料的開發以及非侵入、反饋式和智能化神經調控設備的研制，可能為安全、精準神經調控干預糖尿病提供可行思路。而關于靜態電磁場能夠提高T2D小鼠胰島素敏感性、降低血糖的發現[40]，則有可能挖掘出電磁場神經調控這一新的糖尿病干預技術。
5 總結展望
分析上述存在的不足，筆者認為用于血糖調節和糖尿病干預的外周神經刺激、超聲神經調控、光遺傳學等技術未來需要在以下幾個方面有所突破：一是探索糖尿病機制及神經調控作用機制，做到“知其然，知其所以然”，開展臨床試驗研究并規范試驗范式，提出面向糖尿病病因的有效神經調控療法并推動臨床轉化和推廣；二是研究個性化神經調控處方，基于患者個體差異及其糖尿病特征，結合機器學習算法明確神經調控方式、刺激靶點、刺激參數、治療時間等，形成個性化定制處方；三是創新神經調控技術，通過構建閉環控制模型，以及利用新型的生物材料、芯片、制造工藝等研發智能化神經調控系統，實現糖尿病的精準、動態、自適應干預。總而言之，神經調控技術在血糖水平調節和糖尿病干預研究方面已經展現了不俗的潛力，但同時也面臨眾多挑戰，需要以患者為中心，以創新為驅動，逐步推動神經調控技術的深入研究。相信在不久的將來，神經調控技術能夠為糖尿病的干預治療提供強有力的技術支撐。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：劉洪運主要負責綜述論文的文獻收集、整理、分析、論文撰寫；王衛東主要負責選題、文獻分析、論文指導、修改和審校。
0 引言
糖尿病及其并發癥嚴重威脅著人類健康和生命安全，是全球十大死因之一[1]。2021年，全球20～79歲的人群中約5.37億患糖尿病，我國糖尿病患病人數達1.4億，居全球首位 [2]。有效的血糖控制和糖尿病治療對改善患者臨床結局、降低并發癥風險、減少醫療成本以及提高生活質量至關重要。生活方式干預、藥物治療、胰島素注射、代謝手術、人工胰腺、胰腺或胰島細胞移植等在1型糖尿病（type 1 diabetes，T1D）和2型糖尿病（type 2 diabetes，T2D）治療方面取得了長足進步[3]，但仍有近50%的患者難以有效控制血糖水平[4]。神經調控技術可以通過生物電子醫學裝置以電、磁、光、聲等物理刺激的方式影響、改變和調節機體的功能，進而緩解、控制、治療疾病，在血糖控制、糖尿病干預方面展現了巨大的潛力，也取得了重要的研究進展和成果[5]。
然而，目前國內外尚缺乏關于迷走神經刺激（vagus nerve stimulation，VNS）、交感神經刺激等外周神經電刺激，超聲刺激，光遺傳學等神經調控技術調節血糖、干預糖尿病研究的全面性綜述。本文旨在分析、總結多種神經調控技術在血糖水平調節和糖尿病干預研究領域的最新進展，歸納相關技術存在的不足并展望發展趨勢，為具備高時空分辨率、高度靶向性、可逆性、可調節性和持久性優點的神經調控技術干預治療糖尿病提供思路和借鑒。
1 外周神經電刺激
中樞神經系統、自主神經系統及內分泌系統的協同作用是維持糖代謝穩態的基礎[6]。外周感受器及血糖濃度信息經葡萄糖激酶感知、傳遞后，通過自主神經系統的迷走神經傳入通路上行至下丘腦，信息經中樞神經系統整合后釋放激素并選擇性激活自主神經系統的交感神經或迷走神經傳出通路進而支配血糖調控核心器官（胰腺、肝臟、腸道）的糖代謝機制，適時調節胰島素、胰高血糖素等激素的分泌，調控肝糖元的合成或分解，介導葡萄糖的存儲與利用，從而維持糖代謝穩態（見圖1）。因此，迷走神經、交感神經及其分支是血糖濃度調控的重要靶點，通過電刺激不同部位的上述外周神經能夠潛在地影響糖代謝過程。頸部迷走神經刺激（cervical vagus nerve stimulation，cVNS）、腹部外周神經刺激、耳迷走神經刺激（transcutaneous auricular vagus nerve stimulation，taVNS）等外周神經電刺激技術具備血糖水平調節和糖尿病治療的潛力（見表1[7-17]）。
圖1
外周神經電刺激調控血糖的機制
Figure1.
The mechanism of peripheral nerve electrical stimulation in regulating blood glucose
表1
外周神經刺激的糖代謝調控效應
Table1.
The effects of peripheral nerve stimulation on regulation of glucose metabolism
1.1 頸部迷走神經刺激
cVNS技術是埋植在胸前皮膚下方的脈沖發生器通過皮下走線向纏繞在左側頸部迷走神經上的電極施加間歇性電刺激，以實現治療疾病之作用。研究表明，頸部迷走神經離斷后，通過電刺激其近端可降低血糖[18]。理想狀態下，人們希望通過cVNS激活迷走神經的下行通路，增強對肝臟、胰腺、胃腸道的調控，通過促進胰島素分泌、肝糖原合成、葡萄糖利用來降低血糖。然而頸部迷走神經由約20%的傳出纖維和80%的傳入纖維構成，當前cVNS技術主流的螺旋電極難以實現傳出纖維的選擇性刺激，且存在“脫靶效應”，這也導致cVNS調控血糖的一致性難以保證。Stauss等[19]和Liu等[20]在回顧性分析接受cVNS治療的癲癇患者數據時，就發現cVNS可能會增加高血糖的風險。
電極的空間分辨率是制約cVNS調控血糖技術發展的關鍵。為了提高電極的空間選擇性以實現精準神經調控，多觸點表面電極和神經內電極成為重要研究方向。Aristovich等[21]基于大型動物綿羊模型驗證了多觸點表面電極的性能，通過配置不同的觸點以選擇性激活支配心臟和肺的迷走神經束，分別實現了心率和呼吸頻率的控制。Horn等[7]利用粘性水凝膠多觸點電極包裹大鼠頸部迷走神經，發現cVNS在限制對心血管系統影響的同時，在腹部迷走神經產生電活動，證明了水凝膠多觸點電極的空間選擇能力。Strauss等[8]研發了面向頸部迷走神經的神經內電極，也為神經束的選擇性刺激提供了更精確的手段。然而，集成新型空間選擇電極的cVNS技術在血糖調節和糖尿病干預方面的作用仍有待驗證。
1.2 腹部外周神經刺激
為了盡可能降低刺激頸部迷走神經引起的“脫靶效應”，腹部迷走神經主干及靠近肝臟、胰腺的迷走神經、交感神經分支成為電刺激調節血糖和干預糖尿病的潛在靶點[22]，刺激參數、刺激模式等調控策略因直接影響干預效果而成為研究焦點。Yin等[9]指出小于40 Hz的低頻腹部VNS可以降低T2D大鼠的血糖，而5 Hz時VNS的降糖作用最為顯著，這可能與交感-迷走張力失衡狀態的改善、胰島素敏感性的增加以及胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）的釋放有關。Payne等[10]在傳統刺激模式的基礎上提出了低頻、高頻、傳出、傳入等刺激策略。在后續清醒、自由活動T2D大鼠模型試驗中，通過對植入腹部迷走神經前干的中間電極對施加26 kHz高頻脈沖、對遠端電極對施加15 Hz低頻脈沖，以阻斷迷走神經傳入通路來實現傳出迷走神經通路的有效激活[11]，一定程度上證實了新調控策略調節血糖的可重復性、作用持久性及安全性。
而針對自身免疫性疾病T1D，Guyot等[12]首次利用低頻、低幅電流刺激小鼠胰腺交感神經，通過誘發T1D小鼠胰腺淋巴結中T細胞和B細胞的積累、促炎性細胞因子表達減少、抗原交叉呈遞抑制等一系列免疫調節作用，延緩T1D病程進展。這項極具創新性的工作為胰腺交感神經電刺激治療自身免疫系統疾病T1D提供了新的可能的技術方案。Waataja等[13]基于新型的靶向雙迷走神經調控技術同時刺激T2D大鼠的肝臟和腹腔迷走神經分支，發現T2D大鼠的葡萄糖耐受顯著改善。該研究首次實現了迷走神經兩個靶點的同時獨立干預，證實了其增強血糖控制的可行性，為血糖水平調節和T2D干預提供了一種潛在的精準調控策略。然而，將電極植入到腹部、肝臟、胰腺等迷走神經分支上往往需要進行相對復雜的手術，手術收益可能低于手術風險。因此，有必要開展進一步研究，評估在肝臟、胰腺等迷走神經分支水平植入電極進行靶向VNS的最優調控策略并將其調節血糖的效應最大化。
1.3 耳迷走神經刺激
taVNS利用脈沖發生器輸出特定幅度、脈寬、頻率的電流脈沖，經耳部電極對耳甲這一體表唯一具有迷走神經傳入纖維分布的區域進行刺激，通過干預迷走神經耳支這一外周通路調節腦干、丘腦、大腦皮層等中樞神經系統的功能，進而影響糖代謝，具有非侵入性的優勢和更高的安全性。Yu等[14]發現taVNS可使T2D大鼠減重，并有效地降低和穩定維持血糖水平。Zhang等[15]進一步指出taVNS可顯著改善T2D大鼠的高血糖狀況和增加血清胰島素濃度，在延遲T2D的發生和抑制疾病進展方面具有良好的效果。taVNS技術在T2D大鼠模型上展現了不俗的血糖調節和糖尿病治療能力，也為人體試驗的開展提供了借鑒。Vosseler等[16]在15例健康受試者口服葡萄糖耐量測試過程中進行taVNS，發現在整個150 min的刺激過程中，受試者的葡萄糖水平、胰島素分泌、胰島素敏感性沒有顯著變化。與此結果不同，Kozorosky等[17]在研究健康人即時taVNS的糖代謝效應時，指出taVNS在無熱量攝入的情況下，能夠降低血糖水平，但對胰島素、胰高血糖素則無明顯影響；而在有熱量攝入時，可導致血糖和胰島素水平升高。taVNS因其非侵入的特點是最容易被廣大糖尿病患者接受的神經調控療法，但受納入樣本量、試驗范式、刺激參數、“安慰劑”效應等因素的影響，taVNS調節血糖的作用仍不明確。未來可結合心率變異性分析等自主神經功能無創評估方法開展taVNS干預糖尿病的隨機雙盲對照試驗，進一步闡釋taVNS的自主神經功能和糖代謝調控效應。
2 超聲神經調控
低強度聚焦超聲（low-intensity focused ultrasound，LIFU）是新型的非侵入式神經調控技術，主要通過機械效應、空化效應對目標靶區的神經元活動進行調控，在神經元的激活和抑制、神經和組織的再生、認知和行為的改善方面發揮著重要作用[23]。與傳統需要手術植入電極的神經調控技術相比，LIFU突破了目標靶區或神經尺寸的限制且規避了植入套件的后期管理環節。此外，LIFU技術克服了taVNS、經顱磁刺激及經顱直流電刺激等空間分辨率低以及難以作用于深部組織的缺點。超聲神經調控技術通過超聲刺激肝臟、胰腺、腹部等核心外周器官、組織，激活肝-腦通路、糖代謝通路，促進胰島素分泌，改善胰島素抵抗，實現血糖水平的有效干預，憑借其非侵入性、高空間分辨率、強穿透性等優勢在糖代謝調控領域備受關注，如表2[24-28]所示。
表2
超聲神經調控的糖代謝調控效應
Table2.
The effects of ultrasound neuromodulation on regulation of glucose metabolism
早期研究證明了超聲刺激調控糖代謝的頻率和位置選擇性，為超聲神經調控技術調節血糖水平提供了理論和實驗基礎[24]。Cotero等[25]在后續研究中證實：T2D大鼠、小鼠和豬等多種動物模型在外周聚焦超聲刺激（peripheral focused ultrasound stimulation，pFUS）作用下均表現出可重復的血糖降低。此外，每天3 min的慢性pFUS，不僅可以提高外周組織尤其是骨骼肌的葡萄糖攝取、利用和糖原積累，而且能夠全面改善葡萄糖耐受性和胰島素敏感性，這與下丘腦神經肽（neuropeptide Y，NPY）通路標記物的下調有關，而離子通道腫瘤壞死因子受體相關蛋白1（tumor necrosis factor receptor associated protein 1，TRAP1）在代謝控制環路中對超聲刺激的轉導不可或缺。因此，通過pFUS靶向調控肝-腦自主神經通路以預防或逆轉糖尿病的高血糖，具有潛在的巨大臨床轉化效益。Chang等[26]通過改變刺激靶點對干預糖尿病的超聲神經調控技術進行優化，明確給予T2D大鼠腹部中脘穴超聲刺激5 min即可使血糖濃度平均下降11.5%，多次超聲干預可致血糖水平連續3周下降，并改善葡萄糖耐受。此外，血液分析發現單次超聲刺激能使β-內啡肽的濃度平均升高58.1%，這可能是誘導胰島素分泌增加進而降低血糖水平的作用機制。
基于臨床前研究的經驗，Saab等[27]將仿真技術與超聲神經調控技術結合，利用正常體重和肥胖青少年的計算機斷層掃描（computed tomography，CT）圖像構建人體腹部模型，并分析1 MHz超聲以不同角度入射對模型胰腺及其周圍組織峰值壓力和溫度的影響，提出從患者腹部前端直接施加5 W/cm2功率的超聲可向胰腺提供一致的聲壓，并能有效地誘導臨床前模型中的胰島素釋放，一定程度上證實了非侵入式超聲在T2D臨床治療中的可行性。近期Ashe等[28]完成了pFUS治療T2D的Ⅰ期臨床試驗，為糖尿病的超聲神經調控療法提供了初步的臨床證據。因此，通過適當劑量的非侵入性超聲進行靶向神經調控可以降低血糖水平，改善葡萄糖耐受性以維持葡萄糖穩態，以pFUS為代表的超聲神經調控技術很可能在未來糖尿病干預治療中發揮出重要作用。
3 光遺傳學方法
光遺傳學是一種光控基因技術，通過可控光對編碼光敏蛋白進行靶向刺激，操控細胞生理活動及功能，以解析神經環路和信號網絡[29]。由于光源及其刺激參數的高度可控性，使得光遺傳學工具與傳統的神經電刺激、超聲刺激等神經調控技術相比具備細胞特異性、高時空分辨率、高靈敏度及快速可逆等明顯優勢，開辟了中樞神經系統、心血管系統、內分泌系統、消化系統、免疫系統等疾病治療的新研究范式。
如表3[30-37]所示，Zhang等[30]將貝氏硫細菌可光活化的腺苷酸環化酶（photoactivatable adenylyl cyclase from the bacterium Beggiatoa，bPAC）基因遞送至小鼠胰腺β細胞，用470 nm藍光照射可誘導bPAC表達和激活，在不影響細胞活力和增殖的同時促使胰島素釋放增加，顯著改善了T1D小鼠的糖耐量和高血糖，且效果與促泌素相當。Fontaine等[31]也證實473 nm藍光照射頸部迷走神經可誘導血漿胰島素水平顯著升高，而對胰腺進行光刺激時，胰島素濃度升高的同時伴血糖水平快速下降。相關研究為解析糖代謝穩態的機制和開發糖尿病療法提供了精確有效的技術手段。針對基因脈沖震蕩表達精密控制技術難題，Li等[32]發明了生物發光能量共振轉移技術，并開發了細胞基因表達調控系統，利用分子內能量轉移激活光敏底物發出460 nm藍光，進而啟動基因轉錄與表達。該光遺傳學系統用于T1D小鼠可激活胰島素的脈沖式表達，降低血糖水平和改善葡萄糖耐受，療效可持續13天，且與光敏底物的劑量存在相關性。上述技術創新不僅為探索糖代謝調控網絡提供了新型手段，也為基于光遺傳學技術的精準血糖調節和糖尿病干預提供了極具價值的工具。
表3
光遺傳學刺激的糖代謝調控效應
Table3.
The effects of optogenetic stimulation on regulation of glucose metabolism
除了改進光遺傳學工具中光的波長對血糖調節效應進行優化之外[33, 38]，通過電子信息技術、生物材料和光遺傳學融合控制糖代謝過程，推動光遺傳學調控血糖的研究向前邁了一大步。Mansouri等[34]利用光可激活受體黑素在光照下誘導鈣離子內流和細胞膜去極化原理構建了基于智能手機的iβ細胞胰島素釋放系統。該系統可在15 min后響應智能手機白光照射，重復、可逆地分泌胰島素。用智能手機的手電筒對植入微膠囊iβ細胞的T1D小鼠進行照射，可促進胰島素分泌繼而快速逆轉高血糖。不久的將來，這種自發釋放胰島素的非侵入性iβ細胞系統可能在血糖調節、糖尿病干預中發揮作用。Lu等[35]設計了一種可逆納米探針與光基因工程化細胞共同包裹的水凝膠，它能夠動態監測血糖水平并自適應調節光強，避免光基因的過度表達，實現GLP-1、胰島素分泌的精準調控。利用980 nm近紅外光照射植入水凝膠的糖尿病小鼠，光敏蛋白激活后誘發下游級聯通路合成GLP-1并促進β細胞釋放胰島素進行血糖調節。盡管距臨床應用尚需時間，但這種葡萄糖敏感的納米探針為基于光遺傳學技術的閉環血糖調節提供了新的思路和工具。
利用光遺傳學技術調控不同的靶點，對糖代謝的影響也不盡相同。He等[36]則發現基于光遺傳學技術的藍光激活小鼠下丘腦弓狀核中后亞區的糖抑制神經元，或者黃光抑制小鼠中腦中縫背核的糖興奮神經元，可使正常小鼠的血糖升高。Kwon等[37]在確定肝臟投射黑素皮質能通路的基礎上通過藍光調控，誘導小鼠肝臟糖異生酶表達增加繼而提升了血糖水平。由此可見，光遺傳學方法不僅對糖尿病有潛在的治療價值，而且也為低血糖的干預提供了可能的技術途徑。
4 存在的挑戰及問題
由于神經調控技術本身的局限性、糖代謝調節過程和糖尿病病理機制的復雜性，使得神經調控技術在血糖調節和糖尿病干預的臨床應用方面仍有很多問題亟待解決。
神經調控技術調節血糖和干預糖尿病的作用機制有待進一步闡釋。盡管現在VNS、交感神經刺激、taVNS、超聲神經調控、光遺傳學工具在誘導糖代謝相關激素分泌、血糖水平調節、胰島素敏感性及糖耐量改善方面得到了認可，但相關作用機制尚未完全闡述清楚，這就需要重點關注糖代謝調節的神經網絡和神經環路等關鍵基礎[39]，進一步明確病理機制和作用機制，提升神經調控治療糖尿病效果的可靠性、穩定性與可重復性。
基于神經調控技術的糖尿病干預治療尚無系統規范的臨床試驗研究驗證。通過綜述我們發現，目前基于電、聲、光等物理因子的外周神經電刺激、超聲刺激、光遺傳學刺激等血糖水平調節、糖尿病干預研究，主要以T1D、T2D糖尿病動物模型為對象。試驗動物模型克服了時間和空間的局限，有助于我們了解糖尿病的病理生理特征、糖代謝調控機制、神經調控技術調節血糖的作用機制以及相關產品的安全性和有效性。但不可否認的是臨床前試驗到臨床應用尚有距離，動物與人在生理、解剖等方面存在種屬差異，誘導的疾病模型必然與人類疾病存在差距。這就要求我們充分認識基于糖尿病動物模型的神經調控研究所獲得數據的局限性，解決數據的解釋、推理及向臨床試驗轉化的困難，進而推動基于神經調控技術的糖尿病干預臨床試驗的開展。
基于神經調控技術的有效糖尿病干預治療調控策略仍不明確。個體差異、不同物理因子、不同作用靶點、不同刺激參數以及不同調控時長均可能對最終的血糖水平產生不同程度甚至截然相反的影響[6, 9-11]。針對具體的糖尿病特征，從神經調控的神經、內分泌、免疫等系統的全局、綜合效應入手，整體分析其糖代謝調控效果，構建融合個性化刺激靶點和刺激處方的有效調控策略是當前神經調控技術治療糖尿病面臨的巨大挑戰，也是需要盡快突破的瓶頸。
改進和優化用于糖尿病干預的神經調控技術及設備，在實現血糖調控的前提下進一步降低“脫靶效應”和副作用也是該研究領域需要重點解決的問題。無論是植入生物體的刺激器、電極，還是來源于細菌、藻類等的光遺傳學工具，均存在生物相容性問題，長期植入存在潛在的安全風險。受現有技術空間分辨率的限制，電、聲、光等物理因子作用于生物體很難避免影響目標靶區之外的神經、組織、器官。新型植入物材料的開發以及非侵入、反饋式和智能化神經調控設備的研制，可能為安全、精準神經調控干預糖尿病提供可行思路。而關于靜態電磁場能夠提高T2D小鼠胰島素敏感性、降低血糖的發現[40]，則有可能挖掘出電磁場神經調控這一新的糖尿病干預技術。
5 總結展望
分析上述存在的不足，筆者認為用于血糖調節和糖尿病干預的外周神經刺激、超聲神經調控、光遺傳學等技術未來需要在以下幾個方面有所突破：一是探索糖尿病機制及神經調控作用機制，做到“知其然，知其所以然”，開展臨床試驗研究并規范試驗范式，提出面向糖尿病病因的有效神經調控療法并推動臨床轉化和推廣；二是研究個性化神經調控處方，基于患者個體差異及其糖尿病特征，結合機器學習算法明確神經調控方式、刺激靶點、刺激參數、治療時間等，形成個性化定制處方；三是創新神經調控技術，通過構建閉環控制模型，以及利用新型的生物材料、芯片、制造工藝等研發智能化神經調控系統，實現糖尿病的精準、動態、自適應干預。總而言之，神經調控技術在血糖水平調節和糖尿病干預研究方面已經展現了不俗的潛力，但同時也面臨眾多挑戰，需要以患者為中心，以創新為驅動，逐步推動神經調控技術的深入研究。相信在不久的將來，神經調控技術能夠為糖尿病的干預治療提供強有力的技術支撐。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：劉洪運主要負責綜述論文的文獻收集、整理、分析、論文撰寫；王衛東主要負責選題、文獻分析、論文指導、修改和審校。
