《biomedical applications of electrical stimulation》是一篇发表在《Cellular and Molecular Life Sciences》期刊（2020年第77卷）上的综述性科学论文，主要作者包括Siwei Zhao（美国内布拉斯加大学医学中心）、Abijeet Singh Mehta（美国加州大学戴维斯分校）以及Min Zhao（美国加州大学戴维斯分校）。本文于2020年1月23日在线发布。本文详细评述了电刺激（Electrical Stimulation, ESTIM）在生物医学领域中的应用，探讨了相关研究的现状与挑战，并提出了未来可能的发展方向。

第一部分：电刺激在生物医学中的背景及研究需求

电刺激作为一种非侵入性和非药理学的物理刺激手段，在分子和细胞水平上对生物系统具有广泛影响。其作用包括改变生物膜对生物分子的通透性、调控细胞内外的离子流动、以及对细胞活动（如增殖、分化、迁移）的调控。鉴于这些特性，电刺激被广泛用于组织工程和再生医学中，例如通过促进细胞增殖和组织重塑促进神经、骨骼肌和骨组织修复。此外，电刺激也被试用于临床中的疼痛缓解、肌肉康复、意识障碍治疗、药物递送和伤口愈合。然而，尽管应用前景广阔，支撑这些应用的基础机制研究相对滞后，从而限制了其更广泛的临床推广。

论文指出，电刺激的潜在应用已在体外实验和动物模型中获得了诸多积极结果，但在临床试验中，其疗效并未得到确凿验证。为了更好地服务于临床，优化和标准化电刺激协议、开发与生物组织匹配的刺激设备成为未来研究的重要方向。

第二部分：电刺激在组织工程和再生医学中的应用

（1）神经组织工程

在神经组织工程中，电刺激被发现能够加速神经突和轴突的生长，并可促进胚胎干细胞分化为神经细胞。常用的电刺激模式包括直流（Direct Current, DC）、交流（Alternating Current, AC）、脉冲电流（Pulsed Current, PC）和脉冲电磁场（Pulsed Electromagnetic Fields, PEMF）。实验表明，通过电刺激可显著改善神经细胞在体外和体内的增殖、定向迁移与功能恢复。

（2）骨骼肌组织工程

在骨骼肌组织中，电刺激可以促进肌母细胞的增殖及其向肌管的融合，并诱导特定肌肉相关蛋白（如肌球蛋白重链）的表达。此外，电刺激还能提高肌肉组织的收缩能力。

（3）骨组织工程

多种电刺激模式（如DC、AC、PC、PEMF）已被测试用于骨组织再生。研究发现，DC电刺激可促进骨生成因子的产生并刺激成骨细胞活动。体外实验显示，电刺激能够提高骨组织的钙信号传递与骨形成效率。

（4）伤口愈合

电刺激通过增强皮肤细胞增殖、诱导细胞迁移、抑制细菌生长及改善局部血液循环，有助于伤口愈合。实验显示，在DC、AC、PC和PEMF多种模式下，均能显著提升愈合效果。

第三部分：电刺激的其他临床应用

（1）疼痛管理

在疼痛管理方面，电刺激已被用来缓解颈部疼痛、术后疼痛、癌痛、慢性疼痛以及糖尿病周围神经病变所产生的疼痛。Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation (TENS) 是一种广泛应用的技术，但其疗效在不同研究中表现不一。

（2）药物递送

通过电迁移（Electrophoresis）和电渗透（Electroosmosis），电刺激能够显著提高药物通过组织屏障（如皮肤和角膜）的渗透效率，代表性的应用是眼部药物递送。研究表明，电刺激辅助的药物递送相较于被动扩散具有显著优势。

（3）意识与运动障碍疾病

经颅直流电刺激（Transcranial Direct Current Stimulation, tDCS）已被用于治疗帕金森病、抑郁症、多发性硬化、癫痫和阿尔兹海默症等多种疾病。近年来的文献综述表明，tDCS在纤维肌痛、抑郁症及成瘾治疗上展现出相对较高的潜在疗效。

第四部分：电刺激的基础机制

论文总结了多种理论以解释细胞对电刺激的物理和生物响应： 1. 结构化水层破坏假说：电刺激破坏了细胞周围结构化水层的排列，从而引发钙波动和离子流。 2. 电渗作用：电渗产生的液体流能够施加流体阻力，驱动细胞运动。 3. 电场诱导的离子通道重排：外源电场可偏置电压门控离子通道两侧的离子流，从而改变细胞膜电势。 4. 机械敏感性：电场通过机械力作用于细胞表面结构，例如黏附分子，从而诱导下游信号。 5. 细胞膜成分再分布：电场作用使膜成分产生极化分布，从而影响细胞信号和迁移。

第五部分：高通量平台对电刺激研究的支持

传统实验方法如电泳室（Electrotaxis Chamber）限制了高通量测试的可能性，而新开发的高通量微流控平台、梯形电阻设计和条形码微板等方法，使研究者能够在同一次实验中检测多种条件下的电刺激效果。这些技术为优化电刺激参数和深入了解其分子机制铺平了道路。例如，一个微板平台已被用来筛选了563种带形态异常的双头窝藻菌株对电刺激的响应。

第六部分：电刺激设备的优化发展

（1）电极设计的改进

如今的设备通常采用惰性材料（如碳和铂）制作电极，但它们无法完全匹配生物组织的机械特性。研究者正在开发能够传导离子电流的柔性导体和软性水凝胶电极，以在减少组织损伤的同时，提高电刺激效果。

（2）智能化与穿戴式设计

可降解的穿戴式电刺激设备正在兴起，这些设备不仅能够简化患者的治疗过程，还具备可编程的特性，例如定时刺激或按需操作。

第七部分：电刺激在伤口愈合与药物递送中的进展

基于电刺激的伤口愈合产品，例如PosiFECT®、Procellera®和WoundEL®，通过不同的设计将DC或脉冲电流作用于伤口部位，显著提高了愈合速度。类似地，用于眼部药物递送的离子导入设备（如EyeGate II）已经被证明在治疗干眼症和非感染性葡萄膜炎方面具有良好效果。

总结与展望

这篇综述论文的意义在于全面梳理了电刺激在生物医学和临床领域的应用实践、理论基础、以及未来面临的主要问题。研究显示，要推动电刺激技术的广泛临床应用，研究人员需集中攻克细胞响应机制、刺激参数标准化及与生物组织匹配的设备研发等关键难题。此外，文中列举的高通量技术与设备新突破，将为相关研究提供重要参考。作者建议，在未来创新电刺激协议和设备设计的同时，应加速临床试验的推进，以验证和巩固其疗效。这将推动电刺激在组织再生、伤口修复及药物递送等领域中的应用。