醫(yī)療干預(yù)措施通常需要精確的時間和劑量，因此需要準確地保存醫(yī)療記錄。然而，在全球許多地區(qū)，醫(yī)療記錄的不準確或缺失是一個普遍問題，這不僅影響了治療效果，還可能導(dǎo)致疾病干預(yù)的失敗。例如，基于mRNA的藥物遞送系統(tǒng)已被證明是針對不治之癥的疫苗和療法開發(fā)的通用平臺，但通常需要多次劑量，對記錄的準確性提出了更高的要求。目前，全球約有40%的患者未能遵循醫(yī)療治療方案，導(dǎo)致治療效果不佳和高死亡率，凸顯了醫(yī)療記錄系統(tǒng)不足對公共衛(wèi)生產(chǎn)生的嚴重影響。

傳統(tǒng)的醫(yī)療記錄方法，如紙質(zhì)卡片和在線數(shù)據(jù)庫，存在諸多風險，包括數(shù)據(jù)丟失、隱私泄露和數(shù)據(jù)質(zhì)量無法保證。為了解決這些問題，研究者們開始探索新的醫(yī)療記錄技術(shù)。這些技術(shù)包括基于指紋掃描、手機應(yīng)用程序、微芯片等的方法，但這些方法也存在隱私和數(shù)據(jù)安全問題。

鑒于上述挑戰(zhàn)，來自美國麻省理工學院的Ana Jaklenec教授團隊提出了一種基于微針的患者醫(yī)療記錄保存（OPMR）技術(shù)。該技術(shù)利用可溶解的微針貼片（MNP），將封裝在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微粒中的基于量子點(QD)的近紅外(NIR)熒光染料傳遞到皮膚中，以編碼醫(yī)療信息。這種染料一旦沉積在真皮層，肉眼無法看到，但可以通過NIR成像系統(tǒng)檢測。通過優(yōu)化微針設(shè)計，實現(xiàn)了對mRNA療法和醫(yī)療記錄的可靠傳遞。相關(guān)成果以“On-patient medical record and mRNA therapeutics using intradermal microneedles"為題發(fā)表在《Nature Materials》上。

1.OPMR技術(shù)用于醫(yī)療信息記錄的原理

為了使OPMR具有良好的信息容量、安全性和可靠性，作者設(shè)計了MNP的結(jié)構(gòu)和給藥方式，以實現(xiàn)一致且優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸和持久性；利用糾錯碼實現(xiàn)了數(shù)十億種編碼模式的信息容量；并利用機器學習技術(shù)開發(fā)了一個時空可靠的信息檢索系統(tǒng)。此外，作者成功地將OPMR與一種封裝在脂質(zhì)納米顆粒（LNPs）中的強效mRNA疫苗共同傳遞，該疫苗編碼了SARS-CoV-2刺突蛋白（圖1a）。這表明作者的OPMR-mRNA MNP技術(shù)可以同時傳遞mRNA治療藥物和相應(yīng)的醫(yī)療信息?？紤]到其與mRNA-LNPs的生物相容性以及在106-109范圍內(nèi)龐大的編碼容量，其應(yīng)用范圍有可能擴展到任何mRNA治療藥物，以滿足日益增長的mRNA治療藥物開發(fā)需求（圖1b）。該工具可以幫助衛(wèi)生保健工作者在缺乏可靠記錄保存的現(xiàn)場就后續(xù)劑量作出知情決定，從而提高全球人口的醫(yī)療依從性和完成免疫接種。

2.OPMR MNP材料、結(jié)構(gòu)和有效遞送

首先，作者使用CuInS2 /ZnS量子點產(chǎn)生近紅外信號編碼，并將量子點包裹在PMMA微粒子中，以增加粒子的大小，減輕生物清除，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生物相容性，且PMMA包封沒有導(dǎo)致峰值發(fā)射波長的移動（圖2a）。然后將QD-PMMA微粒子直徑調(diào)整為10 μm左右，并通過掃描電鏡確認其平均尺寸（圖2b）。為了評估OPMR有效傳遞，作者使用10×10陣列的MNPs，并在針尖處裝載了OPMR染料，背面使用聚合物混合物作為支撐。100個微針均在針尖處含有OPMR染料（圖2c），共同形成了一個10×10的陣列，每個微針對應(yīng)一個近紅外位點（圖2d）。由于準確的皮內(nèi)信息傳遞是關(guān)鍵的第一步，因此MNP的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計旨在實現(xiàn)一致的染料轉(zhuǎn)移和最佳的信號持久性。

為此，作者研究了三個最關(guān)鍵的參數(shù)：位點轉(zhuǎn)移、穿透深度和微針溶解。由于手動應(yīng)用微針貼片會導(dǎo)致染料轉(zhuǎn)移效果差且不一致、穿透深度不足等缺陷，因此作者假設(shè)有必要使用合適的彈簧施用器進行更深的染料沉積以保持持久的近紅外信號（圖2e-g）。為此，作者在離體豬皮膚上進行測試并最終選擇了1407 cm/s的沖擊速度和1.1 MPa的壓力用于后續(xù)研究。其次，作者優(yōu)化了影響MNP性能的兩個設(shè)計變量：微針角度和針間距，結(jié)果顯示15°和30°的角度以及間距≥1毫米的MNP實現(xiàn)了100%的位點轉(zhuǎn)移（圖2h-j）。隨著角度的增加，微針溶解度呈下降趨勢，而隨著針間距的增加，溶解度呈上升趨勢（圖2k）。接下來，作者在活體內(nèi)測試了實現(xiàn)100%位點轉(zhuǎn)移的針尖角度（15°和30°）和針間距（1和3mm）的信號持久性。結(jié)果顯示應(yīng)用三個MNP組（15°-1 mm, 15°-3 mm和30°-1 mm）)中的15°組具有更高的信號保留率且穿透深度更深，表明穿透深度可能會影響皮內(nèi)信號保留（圖2l）。此外，圖2m顯示只要染料沉積深度超過閾值深度，信號強度就不會受到影響。作者后續(xù)選擇1mm間距和15°角度的10 ×10 MNP設(shè)計進行研究。由于針間距非常精密，研究團隊選用了摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（mircoArch® S240, 精度：10 μm）搭配摩方HTL樹脂制備了陽模，用于翻制PDMS陰模。以上結(jié)果表明這些優(yōu)化的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生了接近700 μm的一致穿透深度，有效地將染料顆粒沉積在真皮層(圖2m-o)。

3.用于時間穩(wěn)健編碼的糾錯碼和空間穩(wěn)健解碼的深度學習網(wǎng)絡(luò)

作者的OPMR技術(shù)通過在MNPs上刻印二維模式來編碼信息，利用微針位的二進制特征。OPMR染料沉積在皮膚中，近紅外信號可能會由于吞噬清除、光漂白或損傷或疤痕等物理損傷而降低。因此該系統(tǒng)具有補償時間信號衰減的糾錯方案和基于深度學習的圖像處理，以確保在空間變化的情況下可靠的模式讀取，整個流程包括編碼和解碼兩個階段。在編碼過程中，感興趣的信息被轉(zhuǎn)換成可以在MNP上編碼的模式。首先，確定患者需要記錄的信息（圖3a）。然后，將其轉(zhuǎn)換為帶有糾錯碼（ECC）的編碼二進制字符串（圖3b）。ECC為信息位增加了冗余，以防止數(shù)據(jù)損壞，從而確?？煽康拈L期信息恢復(fù)。編碼后的二進制字符串生成后，將其映射為具有固定方向的二維模式（圖3c）。生成的圖案由1位（開）和0位（關(guān)）組成，其中微針充滿近紅外染料（圖3d）。接下來，在編碼模式中加入加密掩碼，以確保個人醫(yī)療數(shù)據(jù)的隱私性（圖3e-f）。編碼的MNP通過選擇性地將染料加載到ON位針頭，從而產(chǎn)生大約50%的開位針和50%的關(guān)位針（圖3g）。熒光染料的空間分布使得OPMR系統(tǒng)容易受到位點畸變的影響。開發(fā)解碼階段是旨在補償捕獲的位點信號之間的這些空間變化，并確保OPMR空間魯棒性。解碼階段從原始圖像的采集開始（圖3h），獲取后，使用基于深度學習的校正網(wǎng)絡(luò)將每個原始圖像校正為方形二進制格式（圖3i）。經(jīng)過校正后，將圖像輸入到基于深度學習的識別網(wǎng)絡(luò)中（圖3j-k），該網(wǎng)絡(luò)是通過訓練一個包含65萬張合成圖像的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的。通過這兩個深度學習步驟，原始圖像被成功轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)組（圖3l）。此時，由于未檢測到或錯誤檢測到信號位，二進制數(shù)組可能具有損壞的模式。為了實現(xiàn)準確的模式解碼，需要先去除加密掩碼，校正后再轉(zhuǎn)換回二進制字符串(圖3m-o)。最后在屏幕上翻譯并檢索該數(shù)組（圖3p）。整個從編碼到解碼的工作流程是自動化的，由于這種機器學習方法的“端到端"特性，無需用戶輸入或手動閾值調(diào)整。

4.OPMR在豬模型中的長期效果和生物相容性

接下來，作者在活豬模型中對信號保留和模式可解碼性進行縱向分析（圖3q-r）。MNPs應(yīng)用于豬側(cè)腹區(qū)域，連續(xù)三個月每周成像一次（圖4a）。在7頭豬身上應(yīng)用了24個96位MNPs監(jiān)測信號保留。監(jiān)測期間，肉眼無法看到染料，導(dǎo)致貼片應(yīng)用部位無法區(qū)分，而近紅外信號仍然可見（圖4b-c）。將21個帶有4個隨機選擇的10×10模式的MNPs應(yīng)用于3頭不同的豬分析模式可解碼性（圖4d）。這些貼片的信號強度隨著時間的推移而下降，但近紅外位仍然可以檢測到，信號保留率在4周時為98.69±1.31%，在8周時為98.35±1.18%，在12周時為98.44±1.23%（圖4e）。這個自動的位點計數(shù)系統(tǒng)以每張圖像0.043秒的平均速度處理96位MNP圖像。機器學習輔助的結(jié)果在位點檢測和精度方面優(yōu)于以前使用的自適應(yīng)閾值算法（圖4f）。

為了保存信息，在三個月的時間里，所有21個圖案的MNPs都在所有三只豬身上成功解碼，表明RM ECC成功地糾正了1-2%的位點丟失，并隨著時間的推移檢索了準確的信息（圖4g）。盡管在三個月內(nèi)，由于動物生長以及表皮細胞周轉(zhuǎn)量造成了明顯的空間扭曲（圖4h），但所有MNP足跡都讀出了正確的信息。為了了解OPMR的長期生物相容性，首先在體外檢測了OPMR染料的細胞毒性。在應(yīng)用3天后切除無藥、含聚合物MNPs、空白PMMA微粒和QD-PMMA微粒的組織切片，結(jié)果顯示QD - PMMA MNP組的皮膚病變評分與其他MNP對照組的嚴重程度相當，表明觀察到的病變是由針穿入本身的創(chuàng)傷引起的，與PMMA或QD染料含量無關(guān)（圖4i）。QD - PMMA MNP應(yīng)用后不同時間點皮膚切片顯示在任何檢查時間點都沒有纖維化的跡象（圖4j），且各組間組織病理學評分沒有統(tǒng)計學上的顯著差異（圖4k）。以上結(jié)果顯示OPMR具有良好的長期生物相容性。

5.OPMR與SARS-CoV-2 mRNA疫苗的聯(lián)合遞送

作者在大鼠模型中展示了OPMR與一種封裝在脂質(zhì)納米顆粒（LNPs）中編碼SARS-CoV-2受體結(jié)合域刺突蛋白的mRNA疫苗共同傳遞的安全性和高效性（圖5a）。首先，為了評估共同傳遞的性能，作者研究了OPMR的圖案可解碼性。在這項測試中，10×10圖案化的微針貼片（無論是否包含mRNA-LNPs）被應(yīng)用于Wistar大鼠，并進行了為期六個月的成像。增加了一個17×17圖案化的MNP組，以展示長期記錄數(shù)十億種不同圖案的可行性。在六個月監(jiān)測期間，10×10和17×17 MNP組的足跡都保持可檢測且成功解碼（圖5b-e）。這些結(jié)果表明，OPMR與mRNA-LNP共同傳遞是可行的。其次，為了研究使用OPMR遞送mRNA疫苗的有效性，作者在體外對使用和不使用OPMR染料的LNPs的完整性進行了表征。低溫透射電鏡和動態(tài)光散射顯示mRNA-LNPs保持穩(wěn)定和單分散性能，且mRNA鏈和LNPs均保持完整（圖5f-h）。此外，使用和不使用OPMR染料的mRNA包封效率分別為87.50±0.32%和87.95±1.28%（圖5i）。

接下來，為了評估OPMR在活體內(nèi)的mRNA疫苗遞送，對肌肉注射對照組、僅裝載疫苗的mRNA MNP組和mRNA - OPMR MNP組進行免疫原性反應(yīng)測試。三組均表現(xiàn)出相似的增強后免疫球蛋白G (IgG)滴度水平以及假病毒中和抗體滴度水平（圖5j-k），表明共同遞送有效的mRNA療法是可行的。最后，為了評估OPMR - mRNA MNPs的保質(zhì)期，裝載編碼螢火蟲熒光素酶的OPMR-mRNA MNPs在室溫下保存3個月，并在不同時間點應(yīng)用于大鼠后用活體成像系統(tǒng)進行測定，結(jié)果顯示與新鮮貼片之間沒有明顯差異（圖5l-m），強調(diào)了按需存儲、分配和應(yīng)用這些貼片以進行mRNA治療遞送和記錄的可能性。

總結(jié)：本研究開發(fā)了一種基于微針的OPMR技術(shù)，不僅能夠提高醫(yī)療記錄的準確性和可靠性，在資源有限的環(huán)境中提供一種簡單、有效的解決方案，還能實現(xiàn)對mRNA療法的可靠遞送。