美國芝加哥大學最新Science：活性生物集成電子平臺治療炎癥

一、【科學背景】

結合生物力學、生物基因和生物電特性的生物材料提供了與組織建立逼真、生物界面的潛力。生物電子學已經成為捕獲生理信號，監測炎癥，并執行靶向治療不可或缺的技術。然而，傳統生物電子學的主要挑戰是它們與生物組織的整，。機械生物電子學中的力學差異會導致界面不連續，影響信號保真度。水凝膠作為一個中間層，在電子和生物系統之間架起了一座機械橋梁，但它們可能無法為組織建模提供必要的細胞功能。因此，生物電子學用于監測炎癥狀況時，缺乏同步免疫調節的生物原性能力。限制了生物電子學在解決各種疾病復雜性方面的多功能性。為了擴大生物電子學在組織修復和監測中的作用，迫切需要設計具有增強生物活性的接口。固有的生物系統，如細菌和哺乳動物細胞，自然表現出細胞信號的產生和傳遞，這可能被用于炎癥管理。然而，將這些生物實體整合到生物電子學中是一個挑戰，主要是由于缺乏精確的控制機制和對外來細胞和宿主疾病之間的動態的透徹理解。

二、【科學創新】

來自芝加哥大學的Jiping Yue, Bozhi Tian和羅格斯大學的Simiao Niu教授強強聯合，推出了活性生物集成活電子(ABLE)平臺，同時有機結合了生物基因、生物力學和生物電學的特性。合成活體生物界面，包括生物電子學布局和表皮葡萄球菌負載的水凝膠復合材料；在微生物-哺乳動物關系中實現多模態信號轉導。通過電生理記錄和皮膚電阻抗、體溫和濕度的無線探測，ABLE監測微生物驅動的銀屑病干預。相關成果以“Active biointegrated living electronics for managing inflammation”為題發表在國際頂級期刊Science上。

圖1具有生物活性接口的活體生物電子學裝置，可實現皮膚病的無線診斷和治療；(A)示意圖，活體生物電子學能夠收集信息、診斷疾病和提供治療；(B)通過生物電子學、水凝膠和細菌的三個關鍵維度的相互作用對于生物集成的活電子功能至關重要；(1)生物聚合物提高細菌活力； (2)細菌調節皮膚免疫環境；(3)生物電子學通過電傳感從皮膚上收集信息；(4)生物電子學通過電刺激管理細菌的生物安全性；(5)水凝膠包封有利于細菌的長期儲存和生存；(6)活性水凝膠的粘彈性保證了與皮膚組織的穩定相互作用；(7)水凝膠的粘彈性有利于皮膚信息的收集；(8)水凝膠的生物力學特性有助于生物危害管理；(9)水凝膠的皮膚粘附性改善了長期的信息收集；(C)與傳統的生物電子接口相比，ABLE結合了生物電、生物力學和生物源領域的功能；(D)照片顯示各種ABLE設備配置。? 2024 AAAS

圖2合理設計具有生物基因、生物力學和生物電功能的生物電子學的活生物界面；(A)模擬生物膜的天然組成，用明膠和淀粉作為蛋白質和多糖聚合物構建雙網水凝膠，即活的生物界面；(B)在各種多糖中，木薯淀粉最能維持細菌活力；(C)在糊化過程中，直鏈淀粉從淀粉顆粒內部的無定形薄片中泄漏出來，提高了細菌的生存能力；(D)熒光圖顯示淀粉顆粒在不同溫度下熱處理后的結構變化；(E)共聚焦顯微鏡成像顯示表皮葡萄球菌在活的水凝膠基質內的分布；(F)淀粉糊化可促進細菌在活的水凝膠基質中存活至少4天；(H)示意圖及照片為記錄肌電信號的活體水凝膠混合網狀電子裝置的結構構型；(I)空間強度圖顯示了大鼠腿部15個電通道的肌電活動；(J)金生物電子學生物界面與活水凝膠涂層的信噪比? 2024 AAAS

圖3 ABLE能夠記錄銀屑病的電生理信號，診斷銀屑病，治療銀屑病；(A) ABLE在牛皮癬診斷和治療中的功能示意圖；(B)用于sECG記錄的活體水凝膠混合網狀電子裝置的結構示意圖和照片；(C)六導聯心電圖信號顯示I、II、III、aVL、aVR和aVF導聯的心律；(D)活體生物電子設備報告，與對照組相比，銀屑病皮膚的心電圖記錄信噪比較低；(E)基于FPCB的ABLE結構示意圖；(F)用于皮膚監測和活體水凝膠調制的無線生物電子學電路圖；(G)第0天和第4天的代表性照片，顯示ABLE治療牛皮癬；牛皮癬樣特征，包括紅斑、硬結和脫屑，都大大減少；(H)牛皮癬皮損阻抗，用ABLE測量，表示恢復進展。結果與銀屑病嚴重程度指數(PSI)一致 ? 2024 AAAS

圖4 ABLE用于研究疾病治療中的活體生物界面-組織相互作用；(A) H&E染色的代表性圖像；(B)細胞角蛋白14和F4/80染色的代表性雙免疫組化圖像；(C) CD31染色的代表性免疫熒光圖像；(D)皮膚病變細胞因子分析顯示IFN-g和IL-17顯著下調，IFN-g和IL-17在炎癥細胞募集和角化細胞增生中起重要作用；(E) LEfSe分類群分析表明，ABLE處理后細菌多樣性發生改變。(F)在ABLE治療期間，表皮葡萄球菌在皮膚上幾乎檢測不到，金黃色葡萄球菌的相對豐度在ABLE治療后降低；(G)熱圖顯示銀屑病相關基因的表達譜；(H) Geneontology (GO)和弦圖顯示幾個重要的銀屑病相關基因被劃分到不同的簇中? 2024 AAAS

三、【科學啟示】

在生物醫學應用的背景下，本文驗證了一個集成的活體生物接口-生物電子學設備的功效。利用銀屑病模型，展示了通過活體界面促進治療效果的活體生物電子設備的臨床適應性潛力。生命材料和電氣系統之間的有機結合為探索生物和非生物系統之間的相互作用提供了新的機會。

本文由虛谷納物供稿；

論文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl1102