使用可穿戴裝置持續監測核酸生物標誌物,提升個人健康管理水平
近年來,使用可穿戴裝置實時和連續監測核酸生物標誌物在個人健康管理方面展現出了巨大的潛力。特別是在大流行監測或重症監護病房疾病的背景下,這一技術的應用更顯重要。然而,要實現高靈敏度和長期穩定性仍然是一項具有挑戰性的任務。
復旦大學最新研究:基於四面體奈米結構進行超痕量核酸監測
2024年3月2日,復旦大學方雪恩團隊在Nature Communications上發表了題為“Long-term monitoring of ultratrace nucleic acids using tetrahedral nanostructure-based NgAgo on wearable microneedles”的研究論文。該研究報道了一種基於四面體奈米結構的嗜鹽菌Argonaute(NgAgo)技術,用於長期穩定監測體內超痕量未擴增核酸(包括遊離DNA和RNA)在可穿戴裝置上的敗血症。
這種整合的無線可穿戴裝置由柔性電路板、微針生物和具有富集能力的可拉伸表皮貼片組成。透過深入研究NgAgo/guide DNA對核酸的識別機制和Debye距離內的訊號轉化,研究團隊得以實現了該技術。實驗結果顯示,該技術適用於實時監測遊離DNA和RNA,其靈敏度可達0.3fM,監測時間最長可達14天。這些成果為體內高靈敏度分子識別和核酸的體外檢測提供了新的策略。
可穿戴裝置在核酸監測方面的變革性應用
隨著基因檢測技術的不斷發展,透過基於核酸的診斷來識別相關疾病已成為一種常見的方法。在眾多已建立的工具中,PCR、等溫核酸擴增和CRISPR技術等技術在生理資訊提供方面起著關鍵作用。儘管這些技術取得了顯著進展,但仍然存在一定的侷限性。最近,一些無擴增策略的方法學得到了迅速發展,力求解決傳統核酸分子診斷的侷限性。然而,在某些情況下,這些無擴增方法需要擴音、靈敏和連續的監測,這正是完全整合的可穿戴技術所能提供的。
新興的可穿戴技術為連續和同時監測人類表皮上的各種生物標誌物帶來了革命性的變化,從而擴充套件了它們在個性化醫療、醫療物聯網和實時疾病診斷領域的應用。尤其引人關注的是,最先進的可穿戴裝置因其監測受試者生理資訊的能力而備受矚目。這些裝置可以利用人工智慧進行深層組織跟蹤、心臟功能成像、慢性感染性傷口檢測、身體體溫調節評估以及腫瘤消退檢測等功能。目前,一些裝置已經在商業市場上用於血糖、體內水分流失和汗液電解質監測,為持續監測提供了一種新途徑。
向ICU場景延伸:挑戰與突破
儘管可穿戴裝置在核酸監測方面表現出色,但在實時和長期監測低丰度疾病相關遊離DNA(cfDNA)或RNA生物標誌物(平均約為10至15ng/ml)方面仍存在一些挑戰。為應對這一問題,復旦大學的研究團隊報道了一種基於四面體DNA奈米結構(TDN)和原核Argonaute技術的全整合可穿戴電子裝置,用於通用的核酸實時監測和由EBV、金黃色葡萄球菌(SA)和(PA)引起的膿毒症相關干預。
該無線可穿戴系統由一個柔性電路板、一個工程化的微針和一個可拉伸的表皮補片組成。其中,TDN支架的應用實現了超靈敏檢測,而由單鏈DNA引導的工程化嗜鹽菌Argonaute(NgAgo)生物識別介面則促進了系統的長期穩定性。整合可穿戴系統透過實時追蹤間質液(ISF)中與膿毒症相關的cfDNA和RNA,進一步拓展了監測ICU發作膿毒症的可能性。
結語
本研究提出了一種無線整合可穿戴電子裝置,透過工程生物感測介面對膿毒症動物模型的核酸進行實時監測。結合TDN與Ng系統的協同效應,該可穿戴技術能夠持續追蹤體內遊離DNA和RNA目標的動態變化,靈敏度高達0.3 fM,在體內保持穩定可靠長達17天。未來,相關工作將集中在記錄波動輸入訊號、高親和力構建、生物感測膜再生和自動資料採集等方面的發展,同時,基於人工智慧的機器學習也將用於輔助預測ICU醫療警報管理。