Science重磅：西北大学开发首个器官移植实时监测设备，提前3周预警肾移植排斥反应

如果把人体比作一个机器，那么肝脏、心脏、肾脏等器官就是内部的零件，当机器发生故障时，替换掉损坏的零件就能延长机器的使用寿命。事实也正是如此，器官移植可以大大延长接受者的寿命，但器官衰竭随时可能发生，特别是当宿主排斥这些移植器官时。

然而，早期的器官排斥反应十分难以检测，活组织检测有风险，而仅测量血液中的生物标志物水平可能导致假阴性或假阳性。因此，如果能开发一种安全且实时监测移植器官状况的方法，就能在移植器官衰竭前及时提醒医生对其进行干预治疗，从而延长移植器官的工作寿命。

2023年9月7日，美国西北大学的研究人员在国际顶尖学术期刊 Science 上发表了题为：Implantable bioelectronic systems for early detection of kidney transplant rejection 的研究论文。

该研究开发了一种小型、柔性的植入式生物电子设备，能够连续、实时、长期监测肾脏的局部温度和昼夜节律变化，以检测与移植器官排斥相关的炎症过程。该设备比目前的监测方法早三周检测到器官排斥的警告信号，这些额外的时间可以使医生更快地进行干预，改善患者的预后。

据世界卫生组织（WTO）统计，全球每年大概有200万人需要器官移植，但每年大约只有13万名患者接受了器官移植。其中，肾脏移植最为常见，技术也相当成熟，即便如此，移植失败仍可能在任何时间发生——移植后立即发生或几年之后，它通常是沉默的，患者可能不会出现明显的早期症状。

因此，对于移植肾患者，需要长期监测移植器官的健康状况，而最简单的方法是测量血液中的某些标记物。例如，通过检测患者血液中的肌酐和尿素氮水平。然而，这些肾功能指标会因为与器官排斥无关的原因而波动，追踪这些生物标志物既不敏感也不具体，有时会导致假阴性或假阳性。

目前检测器官排斥反应的“金标准”是活组织检查，医生用一根长针从移植器官中提取组织样本，然后分析样本，寻找即将发生排斥反应的迹象。遗憾的是，活组织检查这样的侵入性手术有多种并发症的风险，包括出血、感染、疼痛，甚至无意中对附近组织造成损害。此外，活组织检查周期较长，可能需要四五天的时间才能得到结果，而这四五天对于及时做出护理病人的决定至关重要。

在这项最新研究中，西北大学的研究人员开发出了首个能够持续实时监测移植器官健康状况的电子设备。这种超薄、柔软的植入物可以贴合在移植肾脏上，直接检测与炎症和其他移植排斥反应相关的温度异常。然后，它通过无线传输将数据输送到附近的智能手机或平板电脑，以此提醒病人或医生及时采取干预措施。

新型生物电子植入物监测肾移植的排斥反应

具体来说，这种新型生物电子植入物只有0.3cm宽，0.7cm长，220μm厚——比小指甲还小。研究团队将植入物设计得可以紧密贴合肾脏，温和、无缝的接口避免了损坏器官的风险。植入物还包含一个高度灵敏的温度计，可以检测肾脏上令人难以置信的轻微温度变化（~0.004℃）。所有电子元件都包裹在柔软的生物相容性塑料中，包括传感器、微型纽扣电池和蓝牙无线传输元件。

新型生物电子植入物具有小巧、柔软、可拉伸等优点

因此，该设备可以监测更简单、更可靠的温度变化——温度升高通常伴随着炎症，研究人员表示，感知异常温度升高和温度异常变化可能为潜在的移植排斥反应提供早期预警信号。研究人员注意到，大鼠移植肾脏的局部温度在排斥反应事件之前有所升高——有时高达0.6摄氏度，并且其温度异常变化频率更高。与之相印证，在没有服用免疫抑制剂的大鼠中，在植入物检测到温度升高的两到三天后，血液样本中的生物标志物就发生了变化。

研究团队表示，有时候，虽然肌酐和血尿素氮等肾功能指标表现正常，但组织损伤已经发生了。事实上，排异反应导致的血液指标变化可能要晚几天才会出现。

肾脏温度是急性排斥反应的早期指标

进一步研究表明，相比目前的监测方法，这种新型生物电子植入物可以提前三周检测到排斥反应的预警信号。这段额外的时间可以使医生更快地进行干预，改善患者的治疗结果和健康状况。此外，该设备可以提供长期的、连续的实时监测，并且不会对患者造成额外负担，尤其是对比活组织检测。

相比血液标记物，温度变化可以更早提示排斥反应

目前，研究团队正准备在大型动物模型中测试该系统，同时寻找为纽扣电池充电的方法，以便这种监测可以持续患者的一生。虽然主要研究是用肾脏移植进行的，但研究人员认为它也适用于其他器官移植，包括肝脏和肺部以及其他疾病。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh7726

转自：“生物世界”微信公众号

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