基于皮内微针的患者病历记录与 mRNA 疗法:助力全球医疗公平的创新技术

《Nature Materials》:On-patient medical record and mRNA therapeutics using intradermal microneedles

【字体: 时间:2025年02月25日 来源:Nature Materials 37.2

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  为解决医疗记录保存不可靠、影响治疗效果的问题,研究人员开展了基于皮内微针的患者医疗记录保存(OPMR)技术研究。结果显示该技术可准确存储医疗信息,且能与 mRNA 疫苗共递送。这有助于提高医疗依从性,推动全球医疗公平。

  在医疗领域,精准的治疗往往依赖于准确的医疗记录。然而现实中,全球许多地方的医疗记录在护理点不可靠或无法获取。比如在撒哈拉以南非洲,35% 的 12 - 23 个月儿童无法完成推荐的儿童疫苗接种;全球约 40% 的患者未能遵守医疗治疗,仅美国每年就有 12.5 万人因依从性差死亡。传统的纸质卡片和在线数据库等记录方式存在丢失访问权限的风险,新兴的基于指纹扫描、手机应用等方法又引发了隐私担忧。为了改变这一现状,麻省理工学院等机构的研究人员开展了一项重要研究,相关成果发表在《Nature Materials》上。
研究人员开发了一种基于可溶解微针贴片(MNP)的强大的患者医疗记录保存(OPMR)技术。该技术的主要原理是将基于量子点(QD)的近红外(NIR)荧光染料封装在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微粒中,通过微针输送到皮肤,以编码医疗信息。同时,该技术还能与包裹在脂质纳米颗粒(LNPs)中的 mRNA 疫苗共递送。

研究人员为开展此项研究,用到了以下几个主要关键技术方法:首先是微针设计与优化,通过调整微针的多个参数,如针尖角度、间距等,以实现最佳的信息传递和信号耐久性;其次是采用深度学习技术,用于信息的编码和解码,提高信息处理的准确性和稳定性;此外,还利用动物模型实验,如猪和大鼠模型,来评估技术的安全性、有效性和可靠性。

研究结果如下:

  • OPMR MNP 材料和架构优化:对 NIR 信号编码的材料进行研究,如 CuInS2/ZnS QDs,其被封装在 PMMA 微粒中以增强稳定性和生物相容性。通过对比手动和弹簧式施加器,发现后者能实现 100% 的位转移,且优化后的针尖角度 15° 和间距 1mm 的微针,能有效将染料沉积在真皮层,穿透深度近 700μm。
  • Error correcting code for temporally robust encoding:采用 Reed - Muller(RM)纠错码,为信息添加冗余,以应对潜在的数据损坏,如信号衰减等问题。该编码方式能在不同尺寸的 MNP 上生成大量不同的图案,如 17×17 的 MNP 可编码 1374 亿种不同图案,且能纠正一定数量的错误位。
  • Deep learning networks for spatially robust decoding:开发深度学习网络用于解码,包括基于 U - Net 的二值化网络和卷积神经网络(CNN)。通过这些网络,可将原始图像转换为二进制数组,并纠正错误图案,实现准确的信息解码,整个过程完全自动化。
  • Long - term information data preservation in swine:在猪模型中进行长期研究,结果显示,NIR 信号在三个月的监测期内保持可检测,信号保留率在 12 周时达到 98.44%,且所有图案在三个月内都能成功解码,表明该技术在体内具有良好的信息保存能力。
  • Biocompatibility of the OPMR system:对 OPMR 系统的生物相容性进行研究,体外实验表明 OPMR 染料无细胞毒性,在猪皮肤上的应用显示,局部炎症和细胞反应轻微,且 QD 能成功从皮肤组织中清除。
  • Co - delivery of OPMR and mRNA vaccine for SARS - CoV - 2:在大鼠模型中证明了 OPMR MNP 能有效且安全地与编码 SARS - CoV - 2 受体结合域(RBD)刺突蛋白的 mRNA 疫苗共递送。共递送时,OPMR 的图案可解码性不受影响,mRNA - LNPs 保持稳定,且免疫原性与肌肉注射对照组相当。

研究结论和讨论部分指出,该 OPMR 技术可在皮内存储信息,具有出色的时间和空间稳健性以及高达数十亿的编码容量。与 mRNA 疫苗的共递送展示了其临床应用的潜力,在紧急情况或资源有限的地区,能帮助医护人员做出合适的后续剂量决策,且无患者保密风险。未来可进一步研究不同情况下该技术的长期可靠性,如皮肤色素、毛发等对图案信号的影响。总体而言,该技术与 mRNA - LNPs 兼容,能补充不断增加的 mRNA 疗法,为实现医疗公平提供了重要机遇,有望推动全球医疗领域的发展。

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