用于肾移植排斥反应早期检测的植入式柔性生物电子系统设计

肾脏移植在器官移植手术中占据了重要地位，但由于供受体之间的遗传不匹配，以及排斥反应等问题，肾脏移植仍然面临挑战。传统上，排斥反应的检测主要依赖于对肾脏组织进行活检，但这种方法存在很多问题，包括风险和不便。而且，活检只能提供有限的信息，并且无法在移植后的早期发现问题。

近期，美国西北大学材料科学与工程系John A. Rogers和西北大学综合移植中心Zheng J. Zhang教授、Lorenzo Gallon教授合作，开发了一种植入式生物电子系统，可以连续、实时、长期监测肾脏的局部温度和热导率，以检测与移植物排斥相关的炎症过程。这些生物传感器能够直接与肾脏表面接触，从而实现对移植物状态的实时监测。这些传感器可以检测到排斥反应的早期迹象，甚至在传统生物标志物如血清肌酐和BUN还处于正常范围内的情况下进行检测。这一技术有望提供更早的排斥反应检测和更好的移植物监测，有助于改善肾脏移植的长期成功率。相关论文以“Implantable bioelectronic systems for early detection of kidney transplant rejection”为题，发表在Science期刊上。第一作者是西北大学材料科学与工程系Surabhi R. Madhvapathy。

 

同期，巴黎医院公共卫生部巴黎萨克雷大学Mohamad Zaidan和匹兹堡大学斯塔尔兹移植研究所Fadi G. Lakkis合作，在Science期刊上发表了题目为“Tracking kidney transplant fitness”的评论，评论指出，这个系统通过监测肾脏温度和热导率来提供对排斥反应的实时监测，具有比传统生物标志物更高的灵敏度。然而，还需要进一步研究和验证，以确保这一技术在临床实践中的有效性和安全性。如果成功应用于人类患者，这一技术将为个体化的器官移植护理迈出重要一步。

 

监测大鼠肾移植排斥

为了监测大鼠肾移植排斥，研究人员选择了大鼠肾移植模型，因为它们具有良好的特性，如高度可重复性和成本效益。手术过程包括移除原有的两个肾脏，然后将移植的肾脏通过血管吻合植入。生物电子系统被植入到移植肾脏后，完全位于腹腔内，包括一个微型制造的、机械上可兼容的生物传感器，直接安装在肾脏表面，并通过细小的电线连接到植入在腹壁上的无线电子模块上。 这个传感器的设计允许它轻柔地与肾脏表面接触，而不会对器官造成损伤。生物电子系统可以进行实时连续的数据收集，而且能够在自由活动的动物中稳定运行长达2个月或更长的时间。在对原始肾脏进行肾脏温度（Tkidney）和热传导（kkidney）测量时所观察到的温度和热导率变化，这些数据将用作对移植排斥研究的基准。

图1 使用植入式生物电子系统监测肾移植排斥  

急性肾移植排斥的特征

在该研究中，研究人员采用了大鼠的肾移植模型来进行急性肾移植排斥的特性研究。研究中使用了两种不同的大鼠品系，其中，Lewis大鼠可以作为同种异体移植的供体和受体，或者利用August-Copenhagen-Irish（ACI）大鼠作为异种移植的供体，Lewis大鼠作为受体。同种异体移植模型类似于人类中的同卵双胞胎，通常无需免疫抑制药物，而异种移植则导致排斥。在无免疫抑制药物的情况下，ACI到Lewis的异种移植的存活时间约为8天。对于同种异体移植，Tkidney在手术后的几天内会发生变化，然后在大约3天后出现循环的昼夜节律。而异种移植的Tkidney数据与同种异体移植的数据截然不同，Tkidney在大约3天后上升，然后在大约5到6天时急剧下降，这标志着移植失败。

图2 肾移植急性排斥特性的研究  

器官温度提供了移植排斥的早期预警信号

为了研究器官温度对移植排斥的早期预警，该研究侧重于两个不同的时间点：（i）t = 5到6天，也就是急剧下降的温度下降期（称为终点），和（ii）t = 3到4天，也就是温度上升和下降的拐点和暂时性升降（即“bump”）期间（称为中点）。同种异体移植数据用作对照。在终点，组织学检查显示同种移植的肾脏正常，而异种移植的肾脏则出现急性排斥的迹象。血液标志物如BUN和肌酐水平对于同种移植而言在正常范围内，但在异种移植中升高。因此，这些因素在末期排斥的检测中都起到了准确的作用，得到了组织学验证。

图3 肾脏温度作为急性排斥的早期指标  

免疫抑制剂延迟移植排斥

为了模拟实际中的肾脏异体移植，其中患者未按照医嘱继续免疫抑制药物的用量，导致移植物排斥的延迟。在这些实验中，使用了一种名为FK506的免疫抑制剂，以1 mg/kg每天的剂量通过皮下植入的渗透泵给予接受异体移植的受体。研究同时记录了Tkidney和kkidney，以及只测量Tkidney的一些简化实验。这些实验发现，与同种移植相比，接受FK506治疗的异体移植显示出明显不同的Tkidney模式。在FK506治疗的异体移植中，Tkidney在手术恢复期后（t = 0到2天）保持稳定，然后在t = 8到9天之间出现了一个拐点，接着逐渐上升到t = 14天达到峰值，然后迅速下降，最终在t = 22天急剧下降。

与此同时，同种移植的Tkidney则表现出更加平稳的模式。在终点（t = 27天）进行的肾脏组织病理学检查发现，接受FK506治疗的异体移植出现了急性排斥的病理特征，而同种移植的肾脏正常。 这些结果强调了Tkidney的连续监测在检测急性排斥的早期阶段可能比血液标志物或行为模式更具潜力。此外，这些特征在Tkidney中与体内感染性休克或肾脏缺血再灌注损伤等情况下的体温模式不同。总的来说，这些发现为通过Tkidney监测提前检测肾移植排斥提供了有希望的方法，特别是在患者出现肾功能丧失的迹象之前。这些特征有望帮助医生更早地采取治疗措施，从而提高肾移植的成功率。

图4 免疫抑制剂停药后的延迟排斥  

急性排斥的早期指示

实验中观察到接受药物治疗的异体移植肾在温度上表现出明显的特征，包括在某一时间段内的温度升高（T14 – T10）和温度下降（T20 – T14）。这些特征在统计上与同种移植相比具有显著性，表现为温度升高约0.15°C（P = 0.0353）和温度下降约-0.3°C（P = 0.0184），但相对于未接受药物治疗的异体移植（约0.6°C）则较为显著。 需要注意的是，血液标志物直到t ≥ 27天才能够检测到排斥反应，而排斥反应的发生时间要早得多，通常发生在t = 10到14天，这也得到了组织学检查的证实。

此外，对Tkidney进行的傅立叶变换分析发现，在接受药物治疗的异体移植中，存在强烈的超日周期（f > 1/day，具体来说是f = 2/day）节律，而同种移植则没有这种明显的节律。这种超日周期在t = 7到21天之间表现出来，与药物停用后的时期、拐点以及“减弱”的温度峰值相吻合。此外，半日和昼夜节律振幅比值的统计显著性差异也表明了这种超日周期的存在。 最后，研究结果比较了Tkidney和肌酐/尿素氮（BUN）等血液标志物在早期排斥迹象检测方面的效果。结果显示，血液标志物在t = 14天时的准确性和真正阳性率（TPR）都较低，几乎无法检测到早期排斥。而Tkidney中的特征，如温度峰值（bump）和半日超日周期，可以更准确地识别早期排斥迹象，具有较高的准确性和TPR。

图5 肾移植监测   综上所述，该研究基于大鼠移植模型，建立了通过监测肾脏温度（Tkidney）和热导率（kkidney）的生物物理测量技术，用于检测亚临床急性排斥反应。相对于侵入性的活检方法，这些生物传感器提供了有关手术恢复、药物影响、昼夜节律、运动/活动和移植排斥的密集、实时和长期的信息。 未来需要进一步研究，包括在更大动物模型中的实验以确保安全性和功能，以及评估系统是否能够区分排斥的类型以及是否适用于检测边缘变化。此外，还需要考虑植入设备可能引起的异物反应和其他挑战。然而，将连续监测集成到临床实践中，有望成为个性化器官移植护理的重要一步。

审核编辑：刘清