用于腎移植排斥反應(yīng)早期檢測的植入式柔性生物電子系統(tǒng)設(shè)計

腎臟移植在器官移植手術(shù)中占據(jù)了重要地位，但由于供受體之間的遺傳不匹配，以及排斥反應(yīng)等問題，腎臟移植仍然面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，排斥反應(yīng)的檢測主要依賴于對腎臟組織進行活檢，但這種方法存在很多問題，包括風險和不便。而且，活檢只能提供有限的信息，并且無法在移植后的早期發(fā)現(xiàn)問題。

近期，美國西北大學材料科學與工程系John A. Rogers和西北大學綜合移植中心Zheng J. Zhang教授、Lorenzo Gallon教授合作，開發(fā)了一種植入式生物電子系統(tǒng)，可以連續(xù)、實時、長期監(jiān)測腎臟的局部溫度和熱導率，以檢測與移植物排斥相關(guān)的炎癥過程。這些生物傳感器能夠直接與腎臟表面接觸，從而實現(xiàn)對移植物狀態(tài)的實時監(jiān)測。這些傳感器可以檢測到排斥反應(yīng)的早期跡象，甚至在傳統(tǒng)生物標志物如血清肌酐和BUN還處于正常范圍內(nèi)的情況下進行檢測。這一技術(shù)有望提供更早的排斥反應(yīng)檢測和更好的移植物監(jiān)測，有助于改善腎臟移植的長期成功率。相關(guān)論文以“Implantable bioelectronic systems for early detection of kidney transplant rejection”為題，發(fā)表在Science期刊上。第一作者是西北大學材料科學與工程系Surabhi R. Madhvapathy。

同期，巴黎醫(yī)院公共衛(wèi)生部巴黎薩克雷大學Mohamad Zaidan和匹茲堡大學斯塔爾茲移植研究所Fadi G. Lakkis合作，在Science期刊上發(fā)表了題目為“Tracking kidney transplant fitness”的評論，評論指出，這個系統(tǒng)通過監(jiān)測腎臟溫度和熱導率來提供對排斥反應(yīng)的實時監(jiān)測，具有比傳統(tǒng)生物標志物更高的靈敏度。然而，還需要進一步研究和驗證，以確保這一技術(shù)在臨床實踐中的有效性和安全性。如果成功應(yīng)用于人類患者，這一技術(shù)將為個體化的器官移植護理邁出重要一步。

監(jiān)測大鼠腎移植排斥

為了監(jiān)測大鼠腎移植排斥，研究人員選擇了大鼠腎移植模型，因為它們具有良好的特性，如高度可重復性和成本效益。手術(shù)過程包括移除原有的兩個腎臟，然后將移植的腎臟通過血管吻合植入。生物電子系統(tǒng)被植入到移植腎臟后，完全位于腹腔內(nèi)，包括一個微型制造的、機械上可兼容的生物傳感器，直接安裝在腎臟表面，并通過細小的電線連接到植入在腹壁上的無線電子模塊上。 這個傳感器的設(shè)計允許它輕柔地與腎臟表面接觸，而不會對器官造成損傷。生物電子系統(tǒng)可以進行實時連續(xù)的數(shù)據(jù)收集，而且能夠在自由活動的動物中穩(wěn)定運行長達2個月或更長的時間。在對原始腎臟進行腎臟溫度（Tkidney）和熱傳導（kkidney）測量時所觀察到的溫度和熱導率變化，這些數(shù)據(jù)將用作對移植排斥研究的基準。

圖1 使用植入式生物電子系統(tǒng)監(jiān)測腎移植排斥

急性腎移植排斥的特征

在該研究中，研究人員采用了大鼠的腎移植模型來進行急性腎移植排斥的特性研究。研究中使用了兩種不同的大鼠品系，其中，Lewis大鼠可以作為同種異體移植的供體和受體，或者利用August-Copenhagen-Irish（ACI）大鼠作為異種移植的供體，Lewis大鼠作為受體。同種異體移植模型類似于人類中的同卵雙胞胎，通常無需免疫抑制藥物，而異種移植則導致排斥。在無免疫抑制藥物的情況下，ACI到Lewis的異種移植的存活時間約為8天。對于同種異體移植，Tkidney在手術(shù)后的幾天內(nèi)會發(fā)生變化，然后在大約3天后出現(xiàn)循環(huán)的晝夜節(jié)律。而異種移植的Tkidney數(shù)據(jù)與同種異體移植的數(shù)據(jù)截然不同，Tkidney在大約3天后上升，然后在大約5到6天時急劇下降，這標志著移植失敗。

圖2 腎移植急性排斥特性的研究

器官溫度提供了移植排斥的早期預(yù)警信號

為了研究器官溫度對移植排斥的早期預(yù)警，該研究側(cè)重于兩個不同的時間點：（i）t = 5到6天，也就是急劇下降的溫度下降期（稱為終點），和（ii）t = 3到4天，也就是溫度上升和下降的拐點和暫時性升降（即“bump”）期間（稱為中點）。同種異體移植數(shù)據(jù)用作對照。在終點，組織學檢查顯示同種移植的腎臟正常，而異種移植的腎臟則出現(xiàn)急性排斥的跡象。血液標志物如BUN和肌酐水平對于同種移植而言在正常范圍內(nèi)，但在異種移植中升高。因此，這些因素在末期排斥的檢測中都起到了準確的作用，得到了組織學驗證。

圖3 腎臟溫度作為急性排斥的早期指標

免疫抑制劑延遲移植排斥

為了模擬實際中的腎臟異體移植，其中患者未按照醫(yī)囑繼續(xù)免疫抑制藥物的用量，導致移植物排斥的延遲。在這些實驗中，使用了一種名為FK506的免疫抑制劑，以1 mg/kg每天的劑量通過皮下植入的滲透泵給予接受異體移植的受體。研究同時記錄了Tkidney和kkidney，以及只測量Tkidney的一些簡化實驗。這些實驗發(fā)現(xiàn)，與同種移植相比，接受FK506治療的異體移植顯示出明顯不同的Tkidney模式。在FK506治療的異體移植中，Tkidney在手術(shù)恢復期后（t = 0到2天）保持穩(wěn)定，然后在t = 8到9天之間出現(xiàn)了一個拐點，接著逐漸上升到t = 14天達到峰值，然后迅速下降，最終在t = 22天急劇下降。

與此同時，同種移植的Tkidney則表現(xiàn)出更加平穩(wěn)的模式。在終點（t = 27天）進行的腎臟組織病理學檢查發(fā)現(xiàn)，接受FK506治療的異體移植出現(xiàn)了急性排斥的病理特征，而同種移植的腎臟正常。 這些結(jié)果強調(diào)了Tkidney的連續(xù)監(jiān)測在檢測急性排斥的早期階段可能比血液標志物或行為模式更具潛力。此外，這些特征在Tkidney中與體內(nèi)感染性休克或腎臟缺血再灌注損傷等情況下的體溫模式不同?？偟膩碚f，這些發(fā)現(xiàn)為通過Tkidney監(jiān)測提前檢測腎移植排斥提供了有希望的方法，特別是在患者出現(xiàn)腎功能喪失的跡象之前。這些特征有望幫助醫(yī)生更早地采取治療措施，從而提高腎移植的成功率。

圖4 免疫抑制劑停藥后的延遲排斥

急性排斥的早期指示

實驗中觀察到接受藥物治療的異體移植腎在溫度上表現(xiàn)出明顯的特征，包括在某一時間段內(nèi)的溫度升高（T14 – T10）和溫度下降（T20 – T14）。這些特征在統(tǒng)計上與同種移植相比具有顯著性，表現(xiàn)為溫度升高約0.15°C（P = 0.0353）和溫度下降約-0.3°C（P = 0.0184），但相對于未接受藥物治療的異體移植（約0.6°C）則較為顯著。 需要注意的是，血液標志物直到t ≥ 27天才能夠檢測到排斥反應(yīng)，而排斥反應(yīng)的發(fā)生時間要早得多，通常發(fā)生在t = 10到14天，這也得到了組織學檢查的證實。

此外，對Tkidney進行的傅立葉變換分析發(fā)現(xiàn)，在接受藥物治療的異體移植中，存在強烈的超日周期（f > 1/day，具體來說是f = 2/day）節(jié)律，而同種移植則沒有這種明顯的節(jié)律。這種超日周期在t = 7到21天之間表現(xiàn)出來，與藥物停用后的時期、拐點以及“減弱”的溫度峰值相吻合。此外，半日和晝夜節(jié)律振幅比值的統(tǒng)計顯著性差異也表明了這種超日周期的存在。 最后，研究結(jié)果比較了Tkidney和肌酐/尿素氮（BUN）等血液標志物在早期排斥跡象檢測方面的效果。結(jié)果顯示，血液標志物在t = 14天時的準確性和真正陽性率（TPR）都較低，幾乎無法檢測到早期排斥。而Tkidney中的特征，如溫度峰值（bump）和半日超日周期，可以更準確地識別早期排斥跡象，具有較高的準確性和TPR。

圖5 腎移植監(jiān)測 綜上所述，該研究基于大鼠移植模型，建立了通過監(jiān)測腎臟溫度（Tkidney）和熱導率（kkidney）的生物物理測量技術(shù)，用于檢測亞臨床急性排斥反應(yīng)。相對于侵入性的活檢方法，這些生物傳感器提供了有關(guān)手術(shù)恢復、藥物影響、晝夜節(jié)律、運動/活動和移植排斥的密集、實時和長期的信息。 未來需要進一步研究，包括在更大動物模型中的實驗以確保安全性和功能，以及評估系統(tǒng)是否能夠區(qū)分排斥的類型以及是否適用于檢測邊緣變化。此外，還需要考慮植入設(shè)備可能引起的異物反應(yīng)和其他挑戰(zhàn)。然而，將連續(xù)監(jiān)測集成到臨床實踐中，有望成為個性化器官移植護理的重要一步。

審核編輯：劉清