Annual Review of Biomedical Engineering

▪ Tóm tắt  Quá trình tái tạo thần kinh là một hiện tượng sinh học phức tạp. Trong hệ thần kinh ngoại biên, các dây thần kinh có thể tự tái tạo nếu chấn thương nhỏ. Các chấn thương lớn hơn cần phải được điều trị phẫu thuật, thường bằng cách ghép dây thần kinh lấy từ những nơi khác trong cơ thể. Chấn thương tủy sống phức tạp hơn, vì có những yếu tố trong cơ thể cản trở quá trình sửa chữa. Thật không may, chưa có giải pháp nào hoàn toàn khắc phục được chấn thương tủy sống. Do đó, các chiến lược bioengineering cho hệ thần kinh ngoại biên tập trung vào các lựa chọn thay thế cho việc ghép dây thần kinh, trong khi các nỗ lực cho chấn thương tủy sống lại tập trung vào việc tạo ra một môi trường thuận lợi cho tái tạo. May mắn thay, những tiến bộ gần đây trong khoa học thần kinh, nuôi cấy tế bào, kỹ thuật di truyền và vật liệu sinh học mang lại hy vọng cho những phương pháp điều trị mới đối với các chấn thương dây thần kinh. Bài báo này xem xét sinh lý học của hệ thần kinh, các yếu tố quan trọng cho việc sửa chữa dây thần kinh, và các phương pháp hiện tại đang được khám phá để hỗ trợ tái tạo dây thần kinh ngoại biên và sửa chữa tủy sống.

▪ Tóm tắt  Các cơ bị liệt hoặc bị yếu có thể được kích thích co lại bằng cách áp dụng dòng điện tới các dây thần kinh vận động ngoại vi còn nguyên vẹn chi phối chúng. Khi các co bóp cơ được kích thích bằng điện được phối hợp theo cách mang lại chức năng, kỹ thuật này được gọi là kích thích điện chức năng (FES). Trong hơn 40 năm nghiên cứu về FES, các nguyên tắc về việc kích thích an toàn mô thần kinh cơ đã được thiết lập, và các phương pháp để điều chỉnh cường độ của các co bóp cơ do điện được phát hiện. Các hệ thống FES đã được phát triển để khôi phục chức năng ở chi trên, chi dưới, bàng quang và ruột, cũng như hệ hô hấp. Một số trong các thiết bị neuroprosthesis này đã trở thành sản phẩm thương mại, trong khi những cái khác còn có sẵn trong các môi trường nghiên cứu lâm sàng. Dự kiến rằng các phát triển công nghệ sẽ tạo ra các hệ thống mới không có thành phần bên ngoài, có khả năng mở rộng cho nhiều ứng dụng, có thể nâng cấp cho các tiến bộ mới, và được điều khiển bởi sự kết hợp của các tín hiệu, bao gồm các tín hiệu sinh điện từ thần kinh, cơ và não.

Các lực ngày càng được công nhận là các yếu tố chính điều tiết cấu trúc và chức năng của tế bào, và các tính chất cơ học của tế bào là thiết yếu đối với các cơ chế mà qua đó tế bào cảm nhận các lực, truyền tải chúng vào bên trong tế bào hoặc sang các tế bào khác, và chuyển đổi chúng thành các tín hiệu hóa học có tác động đến một quang phổ các phản ứng của tế bào. Việc so sánh các tính chất cơ học của tế bào nguyên vẹn với các biopolymer cytoskeletal tinh khiết mà người ta cho là chi phối độ đàn hồi của chúng cho thấy mức độ mà các nghiên cứu về các hệ thống tinh khiết có thể giải thích các tính chất cơ học của tế bào phức tạp và không đồng nhất hơn nhiều. Bài đánh giá này tóm tắt một số khía cạnh được chọn lọc của công trình hiện tại về cơ học tế bào với sự nhấn mạnh vào các cấu trúc được kích hoạt trong các tiếp xúc giữa các tế bào, điều tiết dòng ion qua màng plasm và có thể cảm nhận dòng chất lỏng tạo ra mức độ căng c shear thấp.

Việc ổn định và bảo quản thành công các vật liệu sinh học thường sử dụng nhiệt độ thấp và độ ẩm thấp để ngăn chặn chuyển động của phân tử. Các chất bảo quản cryo thường được sử dụng để giúp các thực thể sinh học tồn tại dưới những áp lực vật lý, hóa học và cơ học do lạnh hoặc khô tạo ra. Sự tương tác phân tử giữa các phân tử sinh học, các chất bảo quản cryo và nước xác định cơ bản kết quả của việc bảo quản. Việc tối ưu hóa các thử nghiệm sử dụng phương pháp thực nghiệm thường bị hạn chế về độ phân giải cấu trúc và tạm thời, trong khi các mô phỏng động học phân tử cổ điển có thể cung cấp cái nhìn tiết kiệm về cấu trúc cấp nguyên tử và tương tác của từng phân tử mà quyết định hành vi vĩ mô. Nghiên cứu tính toán về các phân tử sinh học, các chất bảo quản cryo và nước đã cung cấp những hiểu biết vô giá vào việc phát triển các chất bảo quản cryo mới và tối ưu hóa các phương pháp bảo quản. Chúng tôi mô tả trạng thái nghệ thuật đang phát triển nhanh chóng của các mô phỏng phân tử cho những hệ thống phức tạp này, tóm tắt các cơ chế bảo vệ và ổn định ở quy mô phân tử, và thảo luận về những thách thức thúc đẩy sự đổi mới liên tục trong lĩnh vực này.

Tomography điện trở (Electrical impedance tomography - EIT) là một phương pháp hình ảnh tương đối mới đã phát triển trong vòng 20 năm qua. Nó có tiềm năng trở thành một công cụ có giá trị lớn trong chẩn đoán lâm sàng; tuy nhiên, EIT là một vấn đề kỹ thuật khó khăn để giải quyết về mặt phát triển phần cứng cho việc thu thập dữ liệu và các thuật toán để tái tạo hình ảnh. Bài đánh giá này xem xét sự phát triển của EIT và cách mà nó đã tiến triển. Nó tập trung vào các ứng dụng lâm sàng của nó, xem xét phần cứng để thu thập dữ liệu và các thuật toán tái tạo để tạo ra hình ảnh. Cuối cùng, bài đánh giá này xem xét các phát triển trong tương lai đang tiến triển từ EIT. Những biến thể mới này sử dụng các phương pháp phối hợp có thể tạo ra những công cụ hình ảnh lâm sàng mới thú vị.

▪ Tóm tắt  Những tiến bộ phi thường trong sinh học phân tử và công nghệ sinh học đã dẫn đến sự phát triển của một số lượng lớn các tác nhân điều trị chống ung thư. Để tiếp cận các tế bào ung thư trong một khối u, một phân tử, hạt, hoặc tế bào điều trị mang trong máu phải đi vào mạch máu của khối u và vượt qua thành mạch để vào khoảng gian bào, mà từ đó nó phải di chuyển qua. Không may, các khối u thường phát triển theo những cách cản trở những bước này. Mục tiêu của nghiên cứu trong lĩnh vực này là phân tích từng bước này một cách thực nghiệm và lý thuyết, và tích hợp thông tin thu được thành một khung lý thuyết thống nhất. Mô hình phân tích và tổng hợp này đã thúc đẩy sự hiểu biết tốt hơn về các rào cản sinh lý trong các khối u đặc và hỗ trợ trong việc phát triển các chiến lược mới nhằm khai thác và/hoặc vượt qua những rào cản này để cải thiện việc phát hiện và điều trị ung thư.

Bài tổng quan này giới thiệu một paradigm đăng ký hình ảnh có thể biến dạng mới, khai thác mô hình trường ngẫu nhiên Markov và các thuật toán tối ưu rời rạc mạnh mẽ. Chúng tôi diễn đạt việc đăng ký có thể biến dạng như một bài toán đồ thị với chi phí tối thiểu, trong đó các nút tương ứng với lưới biến dạng, mức độ kết nối của một nút tương ứng với các ràng buộc điều chỉnh, và nhãn tương ứng với các biến dạng 3D. Để xử lý cả đăng ký biểu tượng và hình học (dựa trên điểm mốc), chúng tôi giới thiệu hai mô hình đồ thị, một cho mỗi tiểu bài toán. Hai đồ thị này chia sẻ các biến liên kết, dẫn đến một cách diễn đạt mô-đun, mạnh mẽ và linh hoạt có thể bao quát các tiêu chí khớp hình ảnh tùy ý, các mô hình biến dạng cục bộ khác nhau và các ràng buộc điều chỉnh. Để giải quyết bài toán tối ưu tương ứng, chúng tôi áp dụng hai chiến lược tối ưu hóa: một chiến lược hiệu quả về tính toán và một lựa chọn thả lỏng chặt chẽ. Những kết quả đáng hứa hẹn cho thấy tiềm năng của phương pháp này. Các phương pháp rời rạc là một xu hướng mới quan trọng trong đăng ký hình ảnh y học, vì chúng cung cấp nhiều cải tiến so với các phương pháp liên tục truyền thống hơn. Điều này được minh chứng bằng một số ví dụ quan trọng, trong đó khung trình bày vượt trội so với các phương pháp đăng ký đa mục đích hiện có về cả hiệu suất và độ phức tạp tính toán. Các phương pháp của chúng tôi trở nên đặc biệt thú vị trong các ứng dụng mà thời gian tính toán là một vấn đề quan trọng, chẳng hạn như trong hình ảnh trong phẫu thuật, hoặc nơi mà sự biến đổi lớn trong dữ liệu yêu cầu các tiêu chí khớp phức tạp và cụ thể cho ứng dụng, như trong các nghiên cứu quần thể đa phương thức quy mô lớn.

▪ Tóm tắt  Giáo dục trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh đem lại nhiều thách thức cho tất cả các thành phần trong quá trình giáo dục—giảng viên, sinh viên và nhà tuyển dụng của các cử nhân tốt nghiệp. Mặc dù các hệ thống giáo dục kỹ thuật y sinh đã được phát triển trong 40 năm qua, nhưng sự quan tâm và tốc độ phát triển của những chương trình này đã tăng tốc trong những năm gần đây. Những tiến bộ mới trong khoa học học tập đã cung cấp khung để kiểm tra lại các mô hình giảng dạy trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh. Công trình này cho thấy rằng môi trường học tập nên được tập trung vào người học, tập trung vào kiến thức, tập trung vào đánh giá và tập trung vào cộng đồng. Ngoài ra, công nghệ học tập cung cấp tiềm năng để đạt được môi trường này một cách hiệu quả. Các nhà giáo dục kỹ thuật y sinh đang đứng trước cơ hội thiết kế và triển khai các hệ thống học tập mới có thể tận dụng những tiến bộ trong khoa học học tập, công nghệ học tập và cải cách trong giáo dục kỹ thuật.

▪ Tóm tắt  Sự phát hiện các gen và protein mới trực tiếp hỗ trợ cho sự bám dính của bạch cầu đang giảm dần, trong khi đó mối quan tâm đến cơ học tế bào và động lực học thụ thể dẫn đến từ sự gắn kết tạm thời qua các selectin đến sự thay đổi ái lực và tăng cường sự bám dính thông qua các integrin đang tăng cao. Các công cụ quang học mới cho phép hình ảnh hóa thời gian thực quá trình lăn và dừng của bạch cầu trong các kênh dòng chảy tấm song song (PPFCs), và việc phát hiện quang phổ lực phân tử đơn cung cấp cái nhìn sâu sắc về vùng tiếp xúc bám dính giữa các tế bào. Sự thu hút bạch cầu trong quá trình viêm cấp tính được kích hoạt bởi việc liên kết các thụ thể hóa học đôi GTP (GPCRs) và sự tập hợp của các selectin. Điều này, lại kích hoạt β₂-integrin (CD18), giúp tạo điều kiện cho sự bắt giữ và dừng tế bào trong dòng chảy cắt. Bài đánh giá này cung cấp một mô hình khái niệm cho các sự kiện phân tử hỗ trợ sự thu hút bạch cầu.