几乎无痛的微针贴片可以检测细胞间液体中的抗体和更多物质

抽血可不好玩。

他们受到伤害。静脉可能会破裂，甚至会翻滚，就像他们试图避开针头一样。

通常，医生使用血液样本检查疾病的生物标志物:病毒或细菌感染信号的抗体，如导致COVID-19的SARS-CoV-2病毒;或者在类风湿性关节炎和败血症等情况下显示炎症的细胞因子。

不过，这些生物标记并不仅仅存在于血液中。它们也可以在我们细胞周围的高密度液体介质中发现，但其丰度较低，很难被检测到。

直到现在。

圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院的工程师们开发了一种微针贴片，可以贴在皮肤上，捕捉感兴趣的生物标记物，由于其前所未有的敏感性，临床医生可以检测到它的存在。

这项技术成本低，临床医生或患者自己都很容易使用，而且可以省去去医院抽血的时间。

这项研究来自机械工程与材料科学系Lilyan & E. Lisle Hughes教授Srikanth Singamaneni的实验室，并于1月22日在线发表在该杂志上生物医学工程。

除了低成本和易于使用之外，这些微针补丁与抽血相比还有另一个优势，这可能是对一些人来说最重要的特点:“它们完全无痛，”Singamaneni说。

使用这些微针补丁寻找生物标志物类似于血液测试。但是，微针不是用溶液来寻找和量化血液中的生物标记物，而是直接从包围我们皮肤细胞的液体中捕获它，这种液体被称为真皮间质液(ISF)。一旦生物标记物被捕获，它们就会以同样的方式被检测到——使用荧光来指示它们的存在和数量。

ISF是生物分子的丰富来源，从神经递质到细胞废物，都密密麻麻地包裹着。然而，要分析ISF中的生物标志物，传统方法通常需要从皮肤中提取ISF。这种方法是困难的，通常可以获得的ISF的数量不足以进行分析。这一直是开发基于微针的生物传感技术的主要障碍。

另一种方法是直接捕获ISF中的生物标志物，而不必提取ISF。就像出现在一场拥挤的音乐会中，并试图走到前面一样，生物标记必须在到达皮肤组织中的微针之前，穿过拥挤的、动态的ISF汤。在这样的条件下，要用传统的检测方法捕获足够多的生物标记物并不容易。

但该团队有一种秘密武器:“等离子体荧光剂”，一种超明亮的荧光纳米标签。与传统荧光标签相比，当使用等离子体荧光在微针贴片上进行检测时，目标蛋白生物标记信号的亮度约为1400倍，即使它们在低浓度下也可检测到。

“以前，生物标志物的浓度必须在每毫升液体几微克的量级上，”Singamaneni实验室的研究生、该论文的主要作者之一王哲宇(Ryan)说。这远远超出了现实世界的生理范围。但是使用等离子体-氟，研究小组能够检测到每毫升皮克克量级的生物标志物。

瑞安说:“这是更为敏感的数量级。”

这些贴片有许多特性，可以对医学、病人护理和研究产生真正的影响。

它们将允许提供者在一段时间内监测生物标记物，这在了解免疫如何在新疾病中发挥作用时尤为重要。

例如，研究COVID-19疫苗的研究人员需要知道人们是否产生了正确的抗体以及这种抗体能产生多长时间。Singamaneni说:“让我们贴一个补丁，看看这个人是否有抗COVID-19的抗体，以及抗体的水平。”

或者，在紧急情况下，“当有人抱怨胸痛，被救护车送往医院时，我们希望贴片能当场敷上，”刚从Singamaneni实验室毕业的学生栾静一(Jingyi Luan)说，她是这篇论文的主要作者之一。急救医生不必去医院抽血，而是可以使用微针贴片来检测肌钙蛋白，这是一种指示心肌梗死的生物标志物。

对于需要定期监测的慢性疾病患者来说，微针的补丁可以减少不必要的去医院的次数，节省金钱、时间和不舒服——很多不舒服。

贴片几乎是无痛的。Singamaneni说:“它们深入皮肤组织约400微米。”“它们甚至不触及感觉神经。”

在实验室中，使用这种技术可以限制研究所需的动物数量。有时，研究需要连续进行大量的测量来捕捉生物标志物的涨落——例如，监测败血症的进展。有时，这意味着很多小动物。

Singamaneni说:“我们可以显著减少这类研究所需的动物数量。”

这一研究的意义是巨大的，Singamaneni的实验室希望确保这些研究都得到了探索。

还有很多工作要做，他说:“我们必须确定临床临界值，”也就是说，对应于正常和异常水平的ISF生物标志物的范围。“我们必须确定哪些水平的生物标志物是正常的，哪些水平是病态的。”他的研究小组正在研究长距离和恶劣条件下的分娩方法，为改善农村卫生保健提供选择。

Singamaneni说:“但我们不需要自己做所有这些。”相反，该技术将提供给不同医学领域的专家。

“我们创造了一种任何人都可以使用的平台技术，”他说。“他们可以用它来寻找自己感兴趣的生物标志物。”

我们不必亲力亲为

Singamaneni和医学院骨与矿物疾病学部的医学助理教授Erica L. Scheller共同研究了局部组织中生物标志物的浓度。

目前这种评价的方法需要分离局部组织，不允许连续和连续的检查。Singamaneni和Scheller正在开发一个更好的平台，以实现对当地的长期监测生物标志物浓度。

一起工作

机械工程与材料科学系Lilyan E. Lisle Hughes教授Srikanth Singamaneni和生物医学工程系助理教授Jai S. Rudra共同研究了可卡因疫苗，该疫苗通过阻断可卡因进入大脑的能力发挥作用。

目前这种疫苗的候选疫苗并不能产生持久的效果;它们需要频繁的刺激。Singamaneni和Rudra想要一种更好的方法来确定疫苗的效果何时减弱。“我们已经证明，我们可以使用贴片来了解一个人是否仍在产生必要的抗体，”Singamaneni说。“不需要抽血。”

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