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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(yán)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(fēng)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(jī)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(xué)院的Ana Jaklenec教授團(tuán)隊(duì)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(diǎn)(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(jì)，實(shí)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(jì)了MNP的結(jié)構(gòu)和給藥方式，以實(shí)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(shí)現(xiàn)了數(shù)十億種編碼模式的信息容量；并利用機(jī)器學(xué)習(xí)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(qiáng)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。考慮到其與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(kuò)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(diǎn)產(chǎn)生近紅外信號編碼，并將量子點(diǎn)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(rèn)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(diǎn)（圖2d）。由于準(zhǔn)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(jì)旨在實(shí)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(diǎn)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(shí)現(xiàn)了100%的位點(diǎn)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(shí)現(xiàn)100%位點(diǎn)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(qiáng)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(jì)進(jìn)行研究。由于針間距非常精密，研究團(tuán)隊(duì)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(xué)習(xí)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(jìn)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(bǔ)償時間信號衰減的糾錯方案和基于深度學(xué)習(xí)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(jìn)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，從而確保可靠的長期信息恢復(fù)。編碼后的二進(jìn)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(diǎn)畸變的影響。開發(fā)解碼階段是旨在補(bǔ)償捕獲的位點(diǎn)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(xué)習(xí)的校正網(wǎng)絡(luò)將每個原始圖像校正為方形二進(jìn)制格式（圖3i）。經(jīng)過校正后，將圖像輸入到基于深度學(xué)習(xí)的識別網(wǎng)絡(luò)中（圖3j-k），該網(wǎng)絡(luò)是通過訓(xùn)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(xué)習(xí)步驟，原始圖像被成功轉(zhuǎn)換為二進(jìn)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(jìn)制數(shù)組可能具有損壞的模式。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)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(jìn)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(jī)器學(xué)習(xí)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(jìn)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(jī)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(qiáng)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(diǎn)計(jì)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(jī)器學(xué)習(xí)輔助的結(jié)果在位點(diǎn)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(diǎn)丟失，并隨著時間的推移檢索了準(zhǔn)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(xì)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(xì)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(yán)重程度相當(dāng)，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(diǎn)皮膚切片顯示在任何檢查時間點(diǎn)都沒有纖維化的跡象（圖4j），且各組間組織病理學(xué)評分沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)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(xiàng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行免疫原性反應(yīng)測試。三組均表現(xiàn)出相似的增強(qiáng)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(diǎn)應(yīng)用于大鼠后用活體成像系統(tǒng)進(jìn)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(qiáng)調(diào)了按需存儲、分配和應(yīng)用這些貼片以進(jìn)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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)對mRNA療法的可靠遞送。