Досягнення в технології мікроголкового біосенсору для мінімально інвазивного моніторингу стану здоров’я

1. Огляд

Мікроголки (MN) — це малоінвазивні мікророзмірні пристрої для-поєднання шкіри, які безболісно проникають у роговий шар шкіри. Вони широко застосовуються для трансдермальної доставки ліків і екстракції шкірної інтерстиціальної рідини (ISF). Як найбільший орган людини, шкіра зберігає велику кількість метаболітів, білків, іонів і патогенних біомаркерів в інтерстиціальній рідині, що може точно відображати фізіологічний і патологічний статус і підтримувати прогноз захворювання, динамічний моніторинг і фармакодинамічну оцінку. Порівняно зі звичайним забором венозної крові та тестуванням пальця, технологія мікроголок відрізняється мінімальною інвазивністю,-безболісною операцією, легким використанням і довготривалою{5}}можливістю безперервного моніторингу, що робить її ідеальною для лікування хронічних захворювань, домашнього медичного обслуговування та-терапевтичного моніторингу в реальному часі.

Традиційно мікроголки слугували в основному трансдермальними носіями для доставки ліків і вакцин. Останніми роками в галузі відбулася значна зміна парадигми: мікроголки дедалі більше розробляються як високо-продуктивні платформи біосенсору для високо-пропускної здатності, швидкої та точної діагностики захворювань і спостереження за станом здоров’я. Удосконалені способи зондування та структурна оптимізація суттєво покращили точність, точність і чутливість біосенсорів на основі MN-, забезпечивши новий технічний шлях для персоналізованої медицини,--тестування на місці-догляду та дистанційного керування здоров’ям.

26 вересня 2023 року дослідницька група під керівництвом професора Райана Ф. Доннелла з Королівського університету в Белфасті опублікувала вичерпний огляд під назвоюБіосенсор-на основі мікроголоквNature Reviews Біоінженерія, першим автором якого є доктор Лаліткумар К. Вора. Ця знакова робота систематично розробила технічну класифікацію, механізми чутливості, клінічні сценарії та трансляційні бар’єри мікроголкового біосенсору, створивши авторитетне теоретичне керівництво для технологічної ітерації та промислового перекладу.

2. Класифікація та механізми роботи біосенсорних мікроголок

Мікроголки створюють тимчасові мікроканали на поверхні шкіри, щоб уможливити системну трансдермальну доставку ліків і вакцин, вилучення шкірної інтерстиціальної рідини та слідів крові або діють як -шкірні електроди на місці для-виявлення біосигналів у реальному часі. Їх можна застосовувати як клейкі пластирі для тривалого -моніторингу або використовувати з портативними аплікаторами для швидкого відбору зразків і введення. Відповідно до властивостей матеріалу, структурного дизайну та принципів зондування, шість основних типів мікроголок широко застосовуються в біосенсибі з диференційованою продуктивністю та сценаріями застосування.

2.1 Суцільні мікроголки

Будучи найбільш раннім типом мікроголок, суцільні мікроголки в основному виготовляються з нержавіючої сталі або титану за допомогою травлення або лазерного різання, мають просту структуру та високу механічну стабільність. Вони застосовують дво{1}}стратегію відбору проб: мікроголки проникають у шкіру, утворюючи мікроканали, а потім видаляються, після чого відбувається збір ISF через негативний тиск або поглинаючі мембрани. Незважаючи на сучасне виробництво та низьку вартість, їх відносно низька ефективність відбору проб обмежує їх застосування для високо{3}}точного виявлення кількох-біомаркерів.

2.2 Мікроголки з покриттям

Мікроголки з покриттям є функціонально вдосконаленими версіями твердих мікроголок. Субстрати включають нержавіючу сталь, кремній і полімери, такі як полікарбонат і PLA. Функціональні покриття з металевими наночастинками або специфічними молекулами біорозпізнавання модифікуються на поверхні голок, щоб служити електрохімічними електродами. Вони дозволяють цілеспрямовано виявляти глюкозу, маркери функції нирок, біомаркери захворювань периферичних артерій та індикатори пухлин для моніторингу хронічних захворювань і скринінгу пухлин. Тим не менш, ризики біосумісності та відшарування покриття під час тривалого-прилипання до шкіри вимагають подальшої оптимізації матеріалу.

2.3 Пористі мікроголки

Пористі мікроголки – це спеціалізований підтип твердих мікроголок, виготовлених шляхом мікро-формування з порогенами, включеними в полімерні матриці. Звичайні матеріали включають фотоотверждаемую метакрилатну смолу, ацетат целюлози та біологічно розкладаний PLGA. Пориста мікроструктура посилює капілярну дію та прискорює поглинання ISF без додаткового вакуумного обладнання. Вони широко застосовуються в електрохімічному моніторингу рівня глюкози та оцінці фізіологічних параметрів шкіри, поєднуючи високу ефективність відбору проб, сприятливу біосумісність і здатність до біологічного розкладання.

2.4 Порожнисті мікроголки

Порожнисті мікроголки є одними з найбільш клінічно зрілих типів, виготовлених з металу, кремнію або акрилатної смоли з центральними мікроканалами. Вони витягують ISF і відстежують кров за допомогою капілярної сили або негативного тиску, досягаючи більшого об’єму зразка та вищої стабільності, ніж тверді мікроголки. Підходять для високо-точного медичного моніторингу та терапевтичного виявлення ліків, вони вимагають тривалої вакуумної допомоги для-відбору зразків великого об’єму, що призводить до відносно тривалих циклів виявлення.

2.5 Гідрогелеві мікроголки

Виготовлені із з’єднаних гідрофільних полімерів, гідрогелеві мікроголки мають чудову здатність поглинати рідину й утримувати її. Після введення в шкіру вони швидко поглинають інтерстиціальну рідину та утворюють стабільні гідрогелеві системи-in situ для відбору великого-об’єму зразків і тривалого-моніторингу. Однак взаємодія між певними метаболітами та гідрогелевими матрицями може спричинити втрату біомаркерів і відхилення у виявленні, що вимагає складних процедур попередньої -обробки перед аналізом ex-vivo.

2.6 Розчинні мікроголки

Розчинні мікроголки виготовлені з біосумісних полімерів, включаючи гіалуронову кислоту та PVP. Вони повністю розчиняються після проникнення в роговий шар без залишкових ран, досягаючи над-безпечного не-інвазивного відбору проб і доставки ліків. Ідеально підходить для дітей, чутливої ​​шкіри та сценаріїв дома-самоконтролю, вони є ключовим напрямком досліджень для мінімально інвазивного біосенсору наступного-покоління.

3. Інтегровані технології біосенсору мікроголкових платформ

Удосконалений мікроголковий біосенсор базується на глибокій інтеграції різноманітних мікроголкових структур і методів вимірювання для створення-на місці, у реальному{1}}часі та високо-пропускних систем виявлення. Чотири стандартні технології зондування широко застосовуються для підтримки точного виявлення однієї-цілі та паралельного аналізу кількох-цілей.

3.1 Електронне зондування

Електронне зондування зазвичай поєднується з гідрогелевими, пористими та порожнистими мікроголками для моніторингу компонентів ISF, функції шкірного бар’єру та балансу електролітів. Аналіти збагачуються на поверхнях електродів за допомогою зворотного іонофорезу для кількісного аналізу ex-vivo або оптимізовані для-виявлення in situ-в реальному часі. Використовуючи природну провідність людської шкіри для формування стабільних замкнутих ланцюгів, ця технологія служить фундаментальною основою для переносних мікроголкових сенсорних пристроїв.

3.2 Електрохімічне зондування

Як найбільш зрілий і основний спосіб, електрохімічне зондування модифікує мікроголкові електроди функціональними покриттями. Специфічні біохімічні реакції між покриттями та біомаркерами викликають потенційні або поточні зміни для кількісного виявлення глюкози, молочної кислоти, концентрації препарату та іонів. Він може похвалитися швидкою реакцією, високою чутливістю та чудовою портативністю для клінічного моніторингу--точок лікування.

3.3 Оптичне вимірювання

Оптичне зондування здебільшого інтегровано з порожнистими мікроголками для створення оптофлюїдних систем виявлення. Зразки Ultra-micro ISF підтримують високо-точний аналіз для терапевтичного моніторингу ліків. Ця технологія, охоплюючи механізми визначення показника заломлення, флуоресценції, поглинання та поляризації, має широкий діапазон виявлення, високу специфічність і здатність проти-електромагнітних перешкод для високо-точного не-інвазивного тестування.

3.4 Раманівське зондування

Завдяки спектроскопії комбінаційного розсіювання з-покращенням поверхні (SERS) датчик комбінаційного розсіювання модифікує мікроголки наночастинками срібла, наноквітами золота та спеціальними зондами розпізнавання для посилення інтенсивності сигналу. Він дає-моніторинг-на місці в реальному{3}}часі глюкози, метаболітів і слідів ліків на шкірі, з винятковою специфічністю та анти-взаємодіями для високо-виявлення мікро-зразків.

4. Основні клінічні застосування

Завдяки таким перевагам, як мінімальна інвазивність,-безперервність роботи в реальному часі та портативність, біосенсори з мікроголками широко застосовуються в лікуванні хронічних захворювань, діагностиці пухлин, скринінгу інфекційних захворювань, моніторингу ліків і екстреному виявленні, розширюючи можливості персоналізованої медицини та дистанційної медичної допомоги.

4.1 Багатошарове не-інвазивне визначення рівня рідини в організмі

Мікроголки точно витягують поверхневий і глибокий дермальний ISF і відстежують кров, замінюючи інвазивну венепункцію. Вони успішно застосовуються в динамічному регулюванні рівня глюкози в крові при цукровому діабеті, забезпечуючи безперервну та стабільну підтримку даних з мінімальним болем і високою повторюваністю.

4.2 Експрес-діагностика пухлин та інфекційних захворювань

Мікроголки точно націлені на мікрооточення пухлини та локальні інфекційні ураження, щоб захопити специфічні біомаркери, зокрема тирозиназу для меланоми, молочну кислоту для раку шкіри та антитіла до COVID-19. Вони забезпечують швидкий і точний ранній скринінг і терапевтичну оцінку.

4.3 Терапевтичний моніторинг препаратів і прецизійне лікування

Ця технологія динамічно відстежує концентрацію антибіотиків, ліків від хронічних захворювань і леводопи в ISF, оцінює фармакодинамічні ефекти в режимі реального часу та направляє індивідуальне коригування дози, ефективно уникаючи недостатньої ефективності або передозування ліків і покращуючи клінічну безпеку ліків.

4.4 Довгостроковий-безперервний фізіологічний і патологічний моніторинг

Для пацієнтів із цукровим діабетом і пацієнтів, які проходять реабілітацію після операції, біосенсори з мікроголками забезпечують безперервний-моніторинг глюкози, електролітів і метаболітів за будь-якої погоди, фіксуючи незначні коливання захворювання та підтримуючи-довгострокове лікування захворювання та оцінку прогнозу.

4.5 Інтелектуальний моніторинг стану здоров’я

Для-моніторингу рівня глюкози, молочної кислоти та алкоголю в режимі реального часу було розроблено кілька переносних прототипів мікроголок. Бездротова передача даних синхронізує показники здоров’я з терміналами смартфонів, реалізуючи незалежний домашній моніторинг і дистанційне -спостереження лікаря.

4.6 Екстрене виявлення передозування речовиною

Завдяки над-високій чутливості біосенсори з мікроголками підтримують ранній швидкий скринінг опіоїдів і нейротоксичних агентів, забезпечуючи технічну підтримку для раннього втручання у зловживання психоактивними речовинами та контролю ризиків для здоров’я.

5. Переклад і комерціалізація

Незважаючи на великий клінічний потенціал, промислове впровадження мікроголкового біосенсору стикається з численними технічними, клінічними, нормативними та інженерними бар’єрами.

5.1 Перевірка клінічної ефективності для безперервного моніторингу

На відміну від комерційно доступних довго{0}}імплантованих пристроїв CGM, нові порожнисті мікроголкові амперометричні датчики завершили клінічні випробування на 10 пацієнтах з цукровим діабетом, досягнувши 72-годинного клінічно точного моніторингу глюкози зі сприятливою толерантністю пацієнта, підтверджуючи довгострокову клінічну надійність систем вимірювання MN.

5.2 Розширення можливостей розподіленої телемедицини

Пристрої з мікроголками, які можна носити, підтримують дистанційний домашній моніторинг і бездротову передачу даних, оптимізуючи розподіл медичних ресурсів і пристосовуючись до базової медичної допомоги та дистанційних медичних послуг, прискорюючи промислове-університетське-дослідницьке комерційне співробітництво.

5.3 Діапазон виявлення та оптимізація калібрування

Відбір проб ISF за допомогою мікроголок дозволяє уникнути зараження крові та складних проблем із калібруванням. Сучасні системи можуть виявляти понад 25 біомаркерів протягом секунд або хвилин, а п’ять біосенсорів на основі MN- пройшли клінічні випробування. Постійна оптимізація моделей кореляції біомаркерів крові ISF-ще більше підвищує точність виявлення.

5.4 Енергоспоживання та управління безпекою даних

Високоточні-пристрої, оснащені насосами, оптичними й електронними компонентами, страждають від великих розмірів, високого споживання енергії та високих витрат на виробництво, що обмежує популяризацію одноразових виробів. Тим часом стандартизовані системи збору, передачі, шифрування та зберігання даних про здоров’я потребують подальшого вдосконалення, щоб гарантувати конфіденційність і безпеку даних.

5.5 Прийняття пацієнта та операційна адаптація

Комерційні пристрої вимагають спрощеної експлуатації з мінімальним навчанням для домашнього використання. Великі-вибіркові клінічні дослідження необхідні для перевірки надійності пристрою та оптимізації механізмів адгезії до шкіри та зворотного зв’язку для покращення взаємодії з користувачем.

5.6 Запобігання та контроль ризиків для біобезпеки

Хоча проникнення мікроголки тимчасово порушує роговий шар, ризик мікробної інфекції надзвичайно низький завдяки мінімальним мікро-ранам та імунному захисту шкіри. Стандартизовані асептичні виробничі процеси є основним напрямком промислової модернізації.

5.7 Удосконалення системи регулювання

Жодних спеціалізованих нормативних вказівок для мікроголкових біосенсорів не було опубліковано в усьому світі. Управління з контролю за харчовими продуктами та харчовими продуктами (FDA) оприлюднило нормативні вимоги щодо косметичних продуктів із мікроголками, які слугуватимуть важливими посиланнями для схвалення медичних сенсорних пристроїв на основі MN-, а промислова стандартизація все ще триває.

6. Майбутні тенденції та перспективи розвитку

Розвиваючись із єдиного інструменту доставки ліків, технологія мікроголок перетворилася на багато-функціональну медичну платформу, яка об’єднує доставку ліків, відбір зразків, зондування та моніторинг. Пластирі з мікроголками проти кору та краснухи почали клінічні випробування з імунною ефективністю, еквівалентною традиційним підшкірним ін’єкціям, і більшою відповідальністю пацієнтів. Провідні світові виробники пластирів запустили широкомасштабне-виробництво пристроїв з мікроголками, які-відповідають GMP.

Ринок носимих біосенсорів перевищив 12 мільярдів доларів США, а після-пандемічний попит на тестування вдома--догляду та дистанційний моніторинг стану здоров’я продовжує зростати, відкриваючи широкі ринкові перспективи для мікроголкового біосенсору. Зараз у технологічному розвитку все ще домінують академічні дослідження, а промисловий переклад відстає.

Майбутній розвиток зосереджується на п’яти напрямках: мініатюризація, легке й недороге масове виробництво; розширення спектра виявлення біомаркерів; інтеграція з IoT, великими даними та алгоритмами штучного інтелекту для створення замкнутих-систем інтелектуального управління охороною здоров’я; покращення довгострокових-систем безпеки адгезії шкіри; а також прискорення клінічної трансформації та стандартизації через галузеву-співпрацю університетів. Зі зрілою технологією та системами регулювання мікроголкове біосенсування стане основною допоміжною технологією для персоналізованої медицини та розумного домашнього медичного обслуговування.