西北大学的研究人员开发出了第一台用于实时连续监测移植器官健康状况的电子设备。无线技术比当前方法提前三周感知警告信号
这种超薄的软植入物直接位于移植的肾脏上，可以检测与炎症相关的温度不规则以及移植排斥引起的其他身体反应。然后，它通过将数据无线传输到附近的智能手机或平板电脑来提醒患者或医生。
在一项新的研究中，研究人员在移植肾脏的小动物模型上测试了该设备，发现该设备比当前的监测方法提前三周检测到排斥的警告信号。
这段额外的时间可以让医生更快地进行干预，改善患者的治疗结果和福祉，并增加保存捐赠器官的几率，由于器官短缺危机中需求不断增长，捐赠器官变得越来越珍贵。
该研究将发表在《科学》杂志上。
移植后的任何时间都可能发生排斥反应——移植后立即或数年后。研究作者说，它通常是沉默的，患者可能不会出现症状。
“我注意到我的许多患者都感到持续的焦虑——不知道他们的身体是否排斥移植的器官，”领导该研究临床部分的西北医学移植肾病专家LorenzoGallon博士说。
“他们可能为了移植等待了数年，然后终于从亲人或已故捐赠者那里得到了移植。然后，他们的余生都在担心该器官的健康。我们的新设备可以提供一些保护，持续监控可以让人安心。”
领导该设备开发的生物电子学先驱、西北大学的约翰·A·罗杰斯(JohnA.Rogers)表示，一旦发生排斥事件，立即识别是至关重要的。
罗杰斯说：“如果尽早发现排斥反应，医生就可以提供抗排斥疗法，以改善患者的健康状况并防止他们失去捐赠的器官。”
“在最坏的情况下，如果忽视拒绝，可能会危及生命。越早发现排斥反应并接受治疗就越好。我们正是考虑到这一点而开发了这款设备。”
“每个人对抗排斥疗法的反应都不同，”罗杰斯实验室的研究生、该论文的第一作者SurabhiMadhvapathy说。“实时监测患者移植器官的健康状况是迈向个性化剂量和药物的关键一步。”
加隆还是西北大学范伯格医学院肾脏病学、高血压和器官移植学教授。
罗杰斯是西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程、生物医学工程和神经外科的LouisSimpson和KimberlyQuerrey教授，也是QuerreySimpson生物电子研究所(QSIB)所长。
加隆和罗杰斯与范伯格器官移植研究教授张珍妮博士共同领导了这项研究。
当前的监控挑战
对于美国超过250,000名接受移植肾脏的人来说，监测其器官的健康状况是一个持续的过程。监测肾脏健康最简单的方法是测量血液中的某些标记物。
通过跟踪患者的肌酐和血尿素氮水平，医生可以深入了解肾功能。但肌酐和血尿素氮水平可能会因与器官排斥无关的原因而波动，因此跟踪这些生物标志物既不敏感也不特异，有时会导致假阴性或阳性。
目前检测排斥反应的“金标准”是活检，医生使用长针从移植器官中提取组织样本，然后分析样本是否有即将发生排斥反应的迹象。
但活检等侵入性手术存在多种并发症的风险，包括出血、感染、疼痛，甚至对附近组织造成无意的损伤。
其他新的血液生物标志物可与监测患者的肌酐和血尿素氮水平同时使用，但这些标志物的阳性预测值并不理想。
“周转时间可能相当长，而且他们的监测频率有限，需要进行场外分析，”加隆说。“可能需要四五天才能得到结果。这四五天对于及时做出患者护理决定至关重要。”
时间和温度
相比之下，西北大学的新型生物电子植入物可以监测更简单、更可靠的东西：温度。
由于温度升高通常伴随着炎症，研究人员推测，感知温度异常升高和温度异常变化可能会为潜在的移植排斥提供早期预警信号。
动物研究证实了这一点。在这项研究中，研究人员注意到，在发生排斥反应之前，移植肾脏的局部温度会升高，有时高达0.6摄氏度。
在没有服用免疫抑制剂的动物中，在血液样本中的生物标志物发生变化前两三天体温升高。在服用免疫抑制剂的动物中，体温不仅升高，而且在肌酐和血尿素氮升高之前三周还表现出额外的变化。
“正常情况下，器官温度每天都会波动，”Madhvapathy说。“我们观察到在移植排斥的情况下，8到12小时内出现异常高频温度变化。”
加隆说：“即使肌酐正常，组织学损伤也会发生。尽管肾功能看起来正常，但血液中的排斥迹象可能会滞后几天。”
新设备不仅比其他方法更早检测到排斥迹象，而且还提供连续、实时的监控。移植手术后，患者可能每周接受多次血液检查。但是，随着时间的推移，血液检查的频率会降低，患者一次会在黑暗中度过数周。
病人“走钢丝”
西北医学皮肤科医生华金·布里瓦(JoaquinBrieva)医生熟悉等待和疑惑。Brieva出生时患有先天性肾脏疾病，她于2022年9月接受了肾脏移植手术。
“移植后两天内，我的肾功能恢复正常，”没有参与这项研究的布里耶娃说。
“但随后你会担心肾脏排斥的可能性。这就是为什么你有这些有效的抗排斥药物和类固醇。您正因感染、药物并发症、各种副作用和肾脏排斥而焦虑不安。您可以通过调整药物来解决一些问题，但肾脏排斥仍然很普遍。你移植的肾脏非常珍贵，所以这是我最担心的。”
“我们不可能只使用三倍或四倍的抗排斥药物来避免排斥，因为这些药物有其自身的风险，”加隆说。
“免疫抑制剂会降低整个免疫系统，并与感染甚至癌症有关。我们不想增加剂量，除非有迹象表明我们绝对需要这样做。”
对于因肾功能衰竭而失去九名家庭成员的布里耶娃和其他器官接受者来说，持续监测器官健康状况的设备可以帮助避免不必要的药物治疗，同时提供急需的安心。
“拥有这个设备会让人放心，”他说。“它可以发现肾移植中的任何突然变化并检测急性排斥反应，目前这种排斥反应没有发出任何警告信号。”
关于设备
传感器本身很小。它的宽度仅为0.3厘米，长度为0.7厘米，厚度为220微米，比小指指甲还要小，大约有一根头发丝的宽度。为了将其固定在肾脏上，罗杰斯和他的团队利用了该器官的自然生物学特性。
整个肾脏被称为肾囊的纤维层包裹，可保护器官免受损伤。罗杰斯的团队设计的传感器正好安装在胶囊层下方，紧贴肾脏。
“胶囊使设备与下面的肾脏保持良好的热接触，”罗杰斯说。“身体会移动，所以有很多运动需要处理。甚至肾脏本身也会移动。而且它是软组织，没有良好的缝合锚点。这些都是艰巨的工程挑战，但该设备是一个温和、无缝的界面，可以避免器官受损的风险。”
该设备包含一个高度敏感的温度计，可以检测肾脏上极其微小的温度变化(0.004摄氏度)——而且只能检测到肾脏。(该传感器还测量血流量，尽管研究人员发现温度是更好的排斥反应指标。)
然后，传感器连接到一个微型电子设备(包括用于供电的微型纽扣电池)，该电子设备位于肾脏旁边，并使用蓝牙技术将数据连续、无线地传输到外部设备。
“所有电子元件都封装在柔软的生物相容性塑料中，这种塑料对肾脏脆弱的组织温和且灵活，”Madhvapathy说。“整个系统的手术插入不到四分之一，是一个快速而简单的过程。”
“我们想象外科医生可以在移植手术后立即植入该设备，而患者仍在手术室中，”罗杰斯说。“然后，它可以监测肾脏，而不需要额外的程序。”
下一步是什么?
小动物试验成功后，研究人员现在正在更大的动物模型中测试该系统。罗杰斯和他的团队还在评估为纽扣电池充电的方法，以使其能够使用寿命长。
虽然初步研究是针对肾脏移植进行的，但研究人员认为它也适用于其他器官移植，包括肝脏和肺以及其他疾病模型。
这项名为“用于早期检测肾移植排斥反应的植入式生物电子系统”的研究得到了美国国家科学基金会和AlphaOmegaAlphaCarolynL.Kuckein学生研究奖学金的支持。