ASN Kidney Week 2022丨未来已至？体内外新型生物传感系统将彻底改变肾脏病管理模式

作为医生的您，有曾想过，是否有一种无创、快捷、方便的肾功能监测系统？它体积小巧，如同智能手表，可24h佩戴。同时，它可以联网，让您远程了解患者肾功，并可通过大数据、机器学习等方法来预测患者未来肾功能下降的风险。如果您曾经梦想过，那么恭喜您，您的梦想可能即将成真！

2022年11月6日，美国肾脏病协会（ASN）举办的2022肾脏周（Kidney Week）学术会议的颁奖晚会上，来自美国西北大学的John Rogers教授介绍了新型体内外生物传感系统以及它们在改变肾脏疾病管理方面的应用。

新型生物传感器简介

过去15年里，基础科学的突破性发展让人类在医院等专业医疗机构里检测身体变化成为现实，如心电图、脑电波等监测手段都是在临床中广泛运用的检测方式。然而，目前在临床中使用的生物电流检测设备都是直接覆盖在皮肤上，较难精准的检测身体内在情况。此外，现行检测设备较为笨重，无法随身携带。鉴于此，通过科学家们不断努力，终于在2019年，来自美国的科学家将心电图、血压、血氧监测等设备集合于一个拇指大小的便携式新型生物传感器（图1）。

图1 新型生物传感器与传统临床监测设备的对比图

备注：红圈内为新型生物传感器

这种新型生物传感器可以监测哪些指标呢？它可以定制化的监测体温、微生物电位（如心电图）、监测汗液、血流、血压、血氧、静脉测绘以及心脏听诊。除此以外，还有特殊改进设备可以监测伤口愈合情况。学者们认为，这种新型生物传感器可以适用于行动能力受限或语言能力欠缺的人群，如新生儿（图2）。图2中婴儿胸前的生物传感器可以监测婴儿心电图、核心体温，而脚上的红点则是光学监测设备，可监测血氧含量。

图2 新生儿与新型生物传感器设备

目前包括美国在内的20多个国家已经批准此类新型生物传感器的上市（此类新型生物传感器并未在我国上市）。这类设备已经服务超过12000例患者，收集到超过15万小时的数据。John Rogers教授认为，上述数据提示这种新型生物传感器安全且可靠，并具有更广泛的应用前景，如用于肾脏病的管理。

新型生物传感器与肾脏病管理

新型生物传感器除了能够附着于人体表面以外，还可以植入大脑和心脏（图3），从而监测器官内部的血流情况以及定制化监测相应生物标志物。

图3 微流无线监测设备植入大脑和心脏

对于目前的肾病检查方法而言，估算肾小球滤过率（eGFR）虽然简单易行，但检查结果可能未假阳性或假阴性，在部分人群中准确性较低（详情见：ASN Kidney Week 2022丨一文总结，肾小球滤过率检查的注意事项与适用人群）。肾病检查的“金标准”，肾活检则是一种有创的无法频繁检测的检查方法，较难以用于肾病监测。体内新型生物传感器则可以结合两者的优势，即无创、准确、长期的监测肾脏状态。例如在移植肾包膜下植入新型生物传感器可以持续跟踪移植物的健康状况，如移植肾的温度和灌注状态。

目前，肾脏体内生物传感器的原型机已用于动物模型的肾功能监测。John Rogers教授及其团队在小鼠的肾脏中植入柔软、无排异反应的新型生物传感器，其主要目的为评估体内生物传感器的安全性、有效性（图4）。该设备最重要的组成部分为封装的薄膜金传感器（100nm级），它可以监测小鼠肾脏表面温度。通过研究发现，若小鼠肾脏表面温度较高，则肾脏灌注状态较好；若小鼠肾脏表面温度较低，则肾脏灌注状态较差。John Rogers教授认为人体也有类似规律。体内新型生物传感器可通过wifi或蓝牙将上述数据传输给电脑，帮助医师了解肾脏情况。更重要的是，在未来或可开发相应程序，估算肾脏灌注不足的风险，以避免肾移植受者或慢性肾脏病患者发生急性肾损伤的风险。

图4 肾脏微流无线监测设备的小鼠模型

值得一提的是，John Rogers教授及其团队还与芝加哥大学的团队合作共同准备猪模型肾脏监测器的临床前研究，预计会在明后年发布相关结果。

部分生物标志物在汗液中的水平与血液中的水平相关。因此，新型生物监测器（此类生物监测器被称为微流设备）还可以附着在人体皮肤，监测汗液，从而推算血液中的乳糖、氯离子、pH以及葡萄糖水平。目前，此类设备已经广泛用于临床和运动医学。

鉴于汗液中肌酐、尿素和pH值可能与血浆或血液中的肌酐、尿素和pH值相关。因此，有团队开发了监测汗液中肌酐、尿素和pH值的微流设备原型机。该原型机可无创、实时、便携的监测人体汗液中肌酐、尿素水平和pH值，或可估算人体血液中的肌酐、尿素和pH值。

John Rogers教授认为，当医师通过体内外新型生物监测器收集了足够的临床数据后，可借助机器学习了解患者肾脏功能下降的风险，并根据这些数据及时调整处方。

综上所述，新型生物传感器已经在临床前和临床研究中取得了一定成果，并在部分国家陆续上市。或许在不远的未来，医师可以对患者的肾脏进行7×24h的监测与管理，这将减少部分慢性肾脏病患者和肾移植受者发生急性肾损伤的风险，有助于改善患者的最终预后。

参考文献：

1. John Rogers.State-of-the-Art Lecture "Wearable Microfluidic Devices and Implantable Electronic Systems for Kidney Health". ASN kidney week 2022. In person and live stream. Nov 06,2022.