如果把人體比作一個(gè)機(jī)器，那么肝臟、心臟、腎臟等器官就是內(nèi)部的零件，當(dāng)機(jī)器發(fā)生故障時(shí)，替換掉損壞的零件就能延長機(jī)器的使用壽命。事實(shí)也正是如此，器官移植可以大大延長接受者的壽命，但器官衰竭隨時(shí)可能發(fā)生，特別是當(dāng)宿主排斥這些移植器官時(shí)。
然而，早期的器官排斥反應(yīng)十分難以檢測，活組織檢測有風(fēng)險(xiǎn)，而僅測量血液中的生物標(biāo)志物水平可能導(dǎo)致假陰性或假陽性。因此，如果能開發(fā)一種安全且實(shí)時(shí)監(jiān)測移植器官狀況的方法，就能在移植器官衰竭前及時(shí)提醒醫(yī)生對(duì)其進(jìn)行干預(yù)治療，從而延長移植器官的工作壽命。
2023年9月7日，美國西北大學(xué)的研究人員在國際學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(fā)表了題為：Implantable bioelectronic systems for early detection of kidney transplant rejection 的研究論文。
該研究開發(fā)了一種小型、柔性的植入式生物電子設(shè)備，能夠連續(xù)、實(shí)時(shí)、長期監(jiān)測腎臟的局部溫度和晝夜節(jié)律變化，以檢測與移植器官排斥相關(guān)的炎癥過程。該設(shè)備比目前的監(jiān)測方法早三周檢測到器官排斥的警告信號(hào)，這些額外的時(shí)間可以使醫(yī)生更快地進(jìn)行干預(yù)，改善患者的預(yù)后。
據(jù)世界衛(wèi)生組織（WTO）統(tǒng)計(jì)，全球每年大概有200萬人需要器官移植，但每年大約只有13萬名患者接受了器官移植。其中，腎臟移植較為常見，技術(shù)也相當(dāng)成熟，即便如此，移植失敗仍可能在任何時(shí)間發(fā)生——移植后立即發(fā)生或幾年之后，它通常是沉默的，患者可能不會(huì)出現(xiàn)明顯的早期癥狀。
因此，對(duì)于移植腎患者，需要長期監(jiān)測移植器官的健康狀況，而簡單的方法是測量血液中的某些標(biāo)記物。例如，通過檢測患者血液中的肌酐和尿素氮水平。然而，這些腎功能指標(biāo)會(huì)因?yàn)榕c器官排斥無關(guān)的原因而波動(dòng)，追蹤這些生物標(biāo)志物既不敏感也不具體，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致假陰性或假陽性。
目前檢測器官排斥反應(yīng)的“金標(biāo)準(zhǔn)”是活組織檢查，醫(yī)生用一根長針從移植器官中提取組織樣本，然后分析樣本，尋找即將發(fā)生排斥反應(yīng)的跡象。遺憾的是，活組織檢查這樣的侵入性手術(shù)有多種并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)，包括出血、感染、疼痛，甚至無意中對(duì)附近組織造成損害。此外，活組織檢查周期較長，可能需要四五天的時(shí)間才能得到結(jié)果，而這四五天對(duì)于及時(shí)做出護(hù)理病人的決定至關(guān)重要。
在這項(xiàng)新研究中，西北大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一個(gè)能夠持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測移植器官健康狀況的電子設(shè)備。這種超薄、柔軟的植入物可以貼合在移植腎臟上，直接檢測與炎癥和其他移植排斥反應(yīng)相關(guān)的溫度異常。然后，它通過無線傳輸將數(shù)據(jù)輸送到附近的智能手機(jī)或平板電腦，以此提醒病人或醫(yī)生及時(shí)采取干預(yù)措施。
新型生物電子植入物監(jiān)測腎移植的排斥反應(yīng)
具體來說，這種新型生物電子植入物只有0.3cm寬，0.7cm長，220μm厚——比小指甲還小。研究團(tuán)隊(duì)將植入物設(shè)計(jì)得可以緊密貼合腎臟，溫和、無縫的接口避免了損壞器官的風(fēng)險(xiǎn)。植入物還包含一個(gè)高度靈敏的溫度計(jì)，可以檢測腎臟上令人難以置信的輕微溫度變化（~0.004℃）。所有電子元件都包裹在柔軟的生物相容性塑料中，包括傳感器、微型紐扣電池和藍(lán)牙無線傳輸元件。
新型生物電子植入物具有小巧、柔軟、可拉伸等優(yōu)點(diǎn)
因此，該設(shè)備可以監(jiān)測更簡單、更可靠的溫度變化——溫度升高通常伴隨著炎癥，研究人員表示，感知異常溫度升高和溫度異常變化可能為潛在的移植排斥反應(yīng)提供早期預(yù)警信號(hào)。研究人員注意到，大鼠移植腎臟的局部溫度在排斥反應(yīng)事件之前有所升高——有時(shí)高達(dá)0.6攝氏度，并且其溫度異常變化頻率更高。與之相印證，在沒有服用免疫抑制劑的大鼠中，在植入物檢測到溫度升高的兩到三天后，血液樣本中的生物標(biāo)志物就發(fā)生了變化。
研究團(tuán)隊(duì)表示，有時(shí)候，雖然肌酐和血尿素氮等腎功能指標(biāo)表現(xiàn)正常，但組織損傷已經(jīng)發(fā)生了。事實(shí)上，排異反應(yīng)導(dǎo)致的血液指標(biāo)變化可能要晚幾天才會(huì)出現(xiàn)。
腎臟溫度是急性排斥反應(yīng)的早期指標(biāo)
進(jìn)一步研究表明，相比目前的監(jiān)測方法，這種新型生物電子植入物可以提前三周檢測到排斥反應(yīng)的預(yù)警信號(hào)。這段額外的時(shí)間可以使醫(yī)生更快地進(jìn)行干預(yù)，改善患者的治療結(jié)果和健康狀況。此外，該設(shè)備可以提供長期的、連續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并且不會(huì)對(duì)患者造成額外負(fù)擔(dān)，尤其是對(duì)比活組織檢測。
相比血液標(biāo)記物，溫度變化可以更早提示排斥反應(yīng)
目前，研究團(tuán)隊(duì)正準(zhǔn)備在大型動(dòng)物模型中測試該系統(tǒng)，同時(shí)尋找為紐扣電池充電的方法，以便這種監(jiān)測可以持續(xù)患者的一生。雖然主要研究是用腎臟移植進(jìn)行的，但研究人員認(rèn)為它也適用于其他器官移植，包括肝臟和肺部以及其他疾病。
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