Microneedle-based biosensin

基于微针的生物传感

论文信息：Nature Reviews bioengineering，Date:26 September 2023, DOI: 10.1038/s44222-023-00108-7

主讲人：周礼，2025年5月18日

研究背景：

   代谢谱分析过程可以促进生物标志物的识别，从而实现精确的疾病诊断，这是开发个性化治疗方案的基础。

   血液取样是现代阐明生物样品中生物标志物水平的金标准，但具有侵入性。

   唾液、汗液和泪液等虽然非侵入性，但样本量有限，生物标志物浓度差异很大导致降低效用。（表明需要更深层皮肤组织以下的生理相关标志物）。

   在许多情况下，没有必要将非侵入性样本值与基于血液的值相关联；相反，将它们与临床结果、预后或疾病流行率进行比较就足够了。使用非侵入性取样监测治疗结果和疾病进展可能对某些患者人口统计数据有吸引力。

   真皮间质液（ISF）是皮肤细胞和组织周围的液体，含有丰富且可获得的生物标志物。此外，真皮间质液中蛋白质、脂质和核酸的改变与大量皮肤疾病的发生有关。因此，直接检测ISF局部的生物标志物可以成为一种检测或监测的手段。

   抽吸和微透析等这些程序的破坏性和侵入性对皮肤组织造成局部创伤，并影响ISF的组成。

   微针（MNs）是以微创方式类似传统透皮贴片外部应用于等器官，以促进经皮药物输送和/或从皮肤吸收间质液，ISF中其中包含多种代谢物，可以作为生物标志物。间质液的收集之后可以进行采样后分析或原位实时生物传感，用于疾病诊断和药物监测。MNs的无痛和易于管理对患者很有吸引力，特别是对于长期监测。

   在本综述中，作者们讨论了MNs技术的演变。强调了用于开发基于MN的生物传感器的不同类型和传感技术。此外，作者们讨论了将MN与可穿戴设备集成以进行实时监控以改进护理点测试的潜力。最后，作者们回顾了这项技术引入临床需要考虑的转化障碍。

研究意义与目的：

 对可穿戴传感器的持续需求允许家庭测试，从而减少医院就诊的需求，以减轻医疗保健系统的压力。微针（MN）生物传感器无痛，可以自我应用，能够实时监测，提供了方便家庭测试的潜力，促进了早期疾病诊断。有趣的是，MN生物传感器提供实时患者监测、人口水平的疾病监测以及资源匮乏国家和偏远地区疾病进展的跟踪。因此，促进学术和工业利益相关者之间的持续合作对于加快制造规模和促进基于MN生物传感器的技术商业化至关重要。

 目前，缺乏生产MN生物传感器的监管指南阻碍了其可扩展性。此外，许多现有的原型复杂、笨重，需要进一步改进以开发一个符合人体工程学的系统，确保用户舒适。此外，MN生物传感器必须使用具有成本效益的材料制造，以保持可负担的市场价格，特别是对于低资源环境中的个人。此外，必须仔细考虑用户的熟练程度、测量精度和数字数据存储的隐私。对设备性能的长期监测和监管后批准也是识别任何安全问题的关键。与监管机构的积极接触，结合学术投入，可以帮助应对这些挑战，早期设备的成功为开发更先进的MN生物传感器铺平了道路。

研究内容：

 系统探讨了微针（Microneedles, MNs）技术在生物传感领域的应用进展，重点阐述了其作为微创工具在疾病诊断和药物监测中的潜力。文章详细梳理了固体、涂层、多孔、溶解、水凝胶及中空微针的设计原理与传感机制，强调其通过电化学、光学或拉曼光谱技术检测皮肤间质液（ISF）中的代谢物（如葡萄糖、乳酸、抗生素等），并结合可穿戴设备实现实时监测。研究指出微针在癌症标志物检测（如酪氨酸酶）、传染病诊断（如COVID-19抗体）和个性化给药监测（如万古霉素）中的临床应用，同时分析了材料生物相容性、制造标准化、传感器稳定性及监管合规性等转化挑战。未来方向包括集成物联网与人工智能技术开发闭环诊疗系统，推动微针生物传感器在家庭医疗和精准医学中的规模化应用，尽管仍需突破技术瓶颈以实现从实验室到临床的全面转化。

总结与展望：

    这篇文章揭示了微针从“药物递送工具”向“智能诊断平台”的范式转变。在材料科学（如新型生物材料）、工程学（如微纳制造）、临床医学（如疾病标志物验证）的交叉点上寻找创新突破口，同时注重解决实际应用中的痛点（如患者舒适度、规模化生产）。未来微针研究可能像“智能手机”一样，通过模块化设计集成多种功能，成为个性化医疗的核心工具。