清华大学Science：实现深层组织内稳态实时监测！

一、【导读】

内稳态失衡是疾病发生的核心特征。因此，在外部可观察到的症状出现之前，监测相关解剖部位的稳态提供了对早期诊断至关重要的基本生理和病理信息。研究表明，生物电子设备实现了连续、无创地监测与稳态相关的参数变化，包括血压和流量、温度、细胞外液pH、血糖、组织血氧测定和脑间质液。然而生物组织中的衰减将这些机制的使用限制在浅层，有时高达厘米级，但不足以监测深层组织。术后胃肠道泄漏如果诊断得太晚，大概率可能会在手术后3至7天发生致命伤害。这种并发症需要持续监测，但早期发现仍然是巨大的挑战。

二、【成果掠影】

基于以上难题，清华大学王禾翎副研究员联合美国西北大学John A. Rogers院士、华盛顿大学Chet W. Hammill教授，报道了一种可生物吸收的形状自适应材料结构（BioSUMs），该结构能够使用传统超声仪器实现了对机体深部组织内稳态参数的实时动态且无创的监测。该类器件基于形状自适应的结构，当体内稳态扰动引起自适应基质发生形变时，器件内的金属点阵排列随之发生变化，并最终通过超声成像准确定量的读取。研究人员利用该类器件监测术后吻合口附近pH值的变化，成功实现了对小型和大型动物模型中的演示说明了监测小肠、胃和胰腺渗漏的精准、及时监测，以便进行早期干预。该论文以题为“Bioresorbable shape-adaptive structures for ultrasonic monitoring of deep-tissue homeostasis”发表在知名期刊Science上。

三、【数据概览】

图1  BioSUMs用于深层组织稳态的实时监测 © 2024 AAAS

图2  形状适应性材料结构的pH响应行为 © 2024 AAAS

图3  深层组织超声成像 © 2024 AAAS

图4  大鼠胃肠系统pH稳态的纵向监测 © 2024 AAAS

图5  猪模型胃肠道渗漏的深层组织检测 © 2024 AAAS

四、【成果启示】

综上，研究人员引入了生物可吸收的形状自适应结构，通过传统的超声成像技术，可以快速、无创地测量深层组织的稳态。稳态扰动引起的响应性水凝胶基质薄膜的膨胀导致作为指示剂的生物可吸收金属元素的稀疏集合之间的分离发生变化，这些元素的位置可以通过超声准确确定。这些元件的声阻抗与周围材料之间的大失配在超声图像中产生高对比度，从而允许精确测量它们的分离，从而允许在浅或深位置中测量周围组织的局部物理或化学特性。设想的临床场景是通过胃肠道手术后恢复期pH值的变化实时检测吻合口，以便进行早期干预。这些设备可以存活相关的时间段，然后自然生物吸收，无需进行二次手术提取。这一概念在小型和大型动物身上的体内演示验证了专门用于胃、小肠和胰腺渗漏的材料设计，为内稳态失衡的及时临床干预与调控奠定了基础。

文献链接： Bioresorbable shape-adaptive structures for ultrasonic monitoring of deep-tissue homeostasis (Science 2024, 383, 1096-1103)

本文由大兵哥供稿。