四院院士，又一篇Science！
学研汇 技术中心
2023-09-14
推荐阅读：
1. Rogers院士这篇Science，很走心！
2022年在美国进行的40，000例实体器官移植中，约有60%是肾脏。而在我国，器官移植起步较晚，供体的唯一来源是公民自愿捐献，随着全民素质提高供体的数目也在提高，完成的肾移植手术台数也在不断提高。然而，供体和受体之间的人白细胞抗原基因型不匹配可导致移植排斥反应。1年、5年和10年移植物存活率分别为92.7%、77.6%和49.5%，排斥是失败的主要原因。在检测到早期排斥反应时进行治疗干预可以保留移植功能。目前检测移植排斥反应的“金标准”是对肾皮质组织进行活检，这可能导致出血、疼痛、感染和邻近器官意外损伤等并发症。通常在移植后24个月内或在检测到血清肌酐/血尿素氮（BUN）水平升高时进行1至2次。但如饮食、肌肉、感染和药物也会改变这些生物标志物，导致排斥反应的假阴性或阳性预测。此外，血清肌酐的变化滞后于肾小球滤过率（GFR）的变化数天至数周。临床上仍然需要能够从移植那一刻起持续监测移植物健康状况的技术，并在血清肌酐/尿素仍在正常生理范围内（亚临床排斥反应）时检测排斥反应的发作或早期阶段。来自美国西北大学的John A. Rogers院士率领其团队开发了一种可以监测肾移植排斥反应的植入性生物电子设备，该工作发表于Science正刊。作者团队开发的植入式生物电子系统，能够连续、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。该系统可发现异常昼夜节律、昼夜节律周期中断和/或肾脏温度升高。对于停止和未给予免疫抑制治疗的病例，这些症状分别在血清肌酐/尿素氮发生变化之前 2-3 周和约 3 天出现，是急性肾移植排斥反应的警告信号。作者团队选择大鼠的肾移植模型作为研究基础，因为它们表征良好，高度可重复且具有成本效益。在移植的肾脏再灌注后植入的生物电子系统完全位于腹腔内，装置为直接安装在肾脏表面的机械顺应生物微传感器，连接到固定在相邻腹壁上的无线电子模块。微型 （~0.3 × 0.7 cm2）、可拉伸（20% 拉伸性）、柔性（弯曲半径 ≥ ~2.8 mm）、超薄 （~220 μm） 和光滑（0.13 μm ± 0.02 表面粗糙度）的传感器设计允许与肾脏的脆弱表面进行温和无缝的界面，而不会有器官损伤的风险。在不受束缚、自由移动的动物中进行实时、连续的数据收集，该设备可以稳定运行 2 个月或更长时间，无不良影响。肾温度（Tkidney）和肾导热系数（kkidney） 的测量，使用该系统在对照动物的天然（右）孤立肾中进行，t = 27天，验证手术恢复和自然生物学变异的影响。术后约3至4小时，Tkidney迅速增加至（约39°C）的峰值，同时随着术后镇痛温度至约37.5°C的平均值。t=2天后出现周期性的~1天昼夜节律，与健康行为模式的恢复一致。生物电子系统对梳洗、活动、食物和水的消耗或睡眠/觉醒周期没有可测量的影响。kkidney是灌注和组织热特性的函数，在0到6内从 ~0.48W/m-K 增加到 ~0.64W/m-K 的最终值。t = 6天时，拥有双肾的大鼠的kkidney是单个肾的一半（~0.33 W / m-K），这与身体的血管负荷在两个肾脏之间平均分配的理解一致。使用Lewis大鼠作为供体和受体，以模拟同系移植，无需免疫抑制即可接受移植物。ACI鼠作为供体，Lewis大鼠作为受体，以模拟最临床常见的同种异体移植是，会导致移植排斥反应。对于同系移植，t 3d后Tkidney出现昼夜节律，t 7d后，平均每日Tkidney保持恒定。t 21至28d，肾脏表面或传感器、互连导线或电子模块周围出现最小的粘连/异物反应（FBR），但不影响对Tkidney的测量灵敏度。这些观察结果表明，移植物是健康的，生物电子系统没有引起的不良影响。而在同种异体移植中， t 3d中 Tkidney持续约18 小时上升，在随后的约18小时内减少。Tkidney在t 5至6d急剧下降（每小时约-0.5°C），这确定了实验终点。在终点，粘连和FBR包围着移植物，移植物增大并具有大理石状外观，带有急性排斥反应特有的坏死斑块。同系移植和同种异体移植的kkidney结果与单个健康肾脏的结果相似（~0.64 W/m-K）。与Tkidney不同，kkidney没有显示出区分同系移植和同种异体移植的趋势。GFR的下降可能被排斥反应引起的灌注/相关肾组织损伤所掩盖。灌注、组织坏死或其他可能改变kkidney的影响可能在肾表面是局部的和不均匀的。Tkidney与组织学和血液生物标志物分析的关联对于评估其检测移植排斥反应的意义和实用性至关重要。基于同种异体移植Tkidney的特征确定两个时间点：（i）t=5至6d（终点）对应于陡峭的温度下降；（ii）t = 3至4d（称为中点）对应于异常波动（拐点或上下波动）。终点的组织学显示同种异体移植物的肾脏被急性排斥，可以发现弥漫性皮质坏死和血栓性微血管病。而血液生物标记物显示，同种异体移植的尿素和肌酐水平升高。同系移植的终点组织学与生物标志物与正常组织无显著性差异。同种异体移植的日温度下降，在生存的最后和倒数第二天最显著。因此，行为、血液标志物和 Tkidney可准确检测晚期移植排斥反应，如同组织学验证。中点数据提供Tkidney异常波动的生理意义。在中点时，组织学检查显示同系移植具有正常的形态，而所有同种异体移植都表现出I型肾小管间质排斥反应。表明中点出现的Tkidney异常说明了同种异体移植物排斥反应，这与组织学层面发病相吻合。相比之下，中点的尿素和血清肌酐水平不能提供明确的诊断价值。同种异体移植的中点异常波动（~0.6°C）大于同系移植（约-0.3°C。因此，中点异常波动在比尿素或血清肌酐更早的时间点识别急性排斥反应。同种异体移植中点异常波动的绝对值和时间宽度分别为~1.0±0.2°C和~1.8±0.4d。同种异体移植在t 4d时的动物行为看起来正常，与同种移植物无法区分。因此，连续测量发现Tkidney中点异常波动在血液标志物或行为模式中出现移植功能丧失的迹象之前，显示出检测急性排斥反应的潜力。临床上肾同种异体移植需要免疫抑制剂来抑制移植排斥反应。进一步模拟患者不依从的临床病例，其中过早停止或减少其规定的免疫抑制剂剂量。同种异体移植物通过皮下植入渗透泵每天接受1mg/kg FK506，持续t=0至7天。用1mg/kg FK506处理的同种异体移植的数据显示出与在同系移植中观察到的不同的显著特征。在最初的t=0至2天的手术恢复期后，Tkidney在t 7d天之前保持平稳，变化最小，没有昼夜节律，与FK506的给药期同时进行。5只动物中有4只在t 8至9d出现异常波动。Tkidney缓慢上升，在t=14d达到峰值，随后缓慢下降，在t 22d，t肾急剧下降。组织病理学提供了对Tkidney关键特征发生时间点肾脏病理学情况。t 10d时肾脏没有排斥反应，在温度峰值（t~14天），以及t=21和27d，发生I型急性肾小管间质排斥反应，其特征是弥漫性间质炎症和肾小管炎。所有用药同种异体移植个体都在在终点显示出排斥反应的组织学证据。与同系移植相比，用药同种移植物数据中观察到的异常波动可以通过统计学上显著的温度升高（T14-T10）和下降（T20-T14）来表征（中位升高~0.15°C，中位下降约-0.3°C），并且相对于未用药同种移植物而言（~0.6°C）是趋于稳定的。血液标志物直到t≥27d才能检测到排斥反应。这个时间点比排斥反应实际发生时间要晚得多，排斥反应发生在t=10到14d之间。对Tkidney进行t=7至21d的傅立叶变换分析（对应于用药后的时期、拐点，并与轻度波动相吻合），结果显示，相对于同系移植，所有用药同种异体移植都存在强烈的超日节律。半天和昼夜节律周期的振幅比率在t=7至14d之间具有统计学意义，在t=14至21d之间保持仍显著。用药同种异体移植的超日节律可能是T细胞活动或者细胞损伤再生过程的周期性变化引发。Tkidney和肌酸酐/BUN的亚临床相关性可以通过与组织学的比较来确定。根据BUN和肌酸酐水平的混淆矩阵计算的准确度和真阳性率（TPR）表明，血液标志物不能检测早期的排斥反应；几乎所有的用药同种异体移植都会出现假阴性。另一方面，Tkidney的特征如异常波动（准确度=75%，TPR=62%）和半天超日节律（准确度=100%，TPR=100%），可以正确识别排斥反应的早期或发作。这项在大鼠移植模型中的研究中，作者团队建立一种生物电子设备，能够连续、实时和长期监测Tkidney和kkidney，分别作为肾脏炎症和灌注的替代标志物。与侵入性活检相比，这些生物传感器提供了关于手术恢复、药物影响、昼夜节律/超昼夜节律、运动/活动和移植物排斥反应的密集、实时、长期信息。作者团队发现了一种独特的Tkidney指标，为亚临床急性排斥反应提供了一致的早期预警信号。在免疫抑制治疗中断和缺失的情况下，Tkidney相对于血清肌酐和BUN分别提前约2至3周和约3天提供排斥反应的早期预警。这种测量可能有助于指导个性化给药策略和了解免疫抑制剂的疗效。此外，他克莫司给药的特点是Tkidney波动稳定，不再表现出昼夜节律，这表明生物传感器可能具有检测是否服用免疫抑制药物的额外好处。这项研究结果是有临床转化希望的，但还需要进一步的评估。在Tkidney和kkidney中观察到的排斥反应变化的特异性也应与影响移植物的其他炎症条件进行比较，如肾盂肾炎和BK病毒相关肾病。此外，重要的是研究持续监测是否也适用于识别移植物的边界变化，这些变化对应于可能在发生全面急性排斥反应之前发生的小炎症变化，或者可能对移植物的长期存活有害。此外，还应该探索这种设备区分移植物损伤的急性和慢性成分的能力，因为作者使用的模型更符合导致移植物快速损伤的急性肾排斥反应。持续监测与肾移植损伤的额外标志物的潜在结合将提供对移植状态的更全面的评估，促进临床决策。同样重要的是要考虑可能伴随这种装置植入的异物反应。与对起搏器的反应类似，血管纤维化和组织包裹可能会限制在人体中的长期应用。尽管仍有几个障碍需要克服，但将持续监测纳入临床实践的前景可能代表着向个性化器官移植护理迈出的重要一步。Surabhi R Madhvapathy, Jiao-Jing Wang, Heling Wang, et al. Implantable bioelectronic systems for early detection of kidney transplant rejection. Science. 2023 Sep 8;381(6662):1105-1112.https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj9517
