MIT中国学者发明皮肤里的疫苗接种卡,5年后依旧可用手机读取|独家专访

科学
MIT中国学者发明皮肤里的疫苗接种卡,5年后依旧可用手机读取|独家专访
麻省理工科技评论 2019-12-20

2019-12-20

麻省理工团队发明奇妙疫苗记录本:信息藏在皮肤里,用手机读数据
疫苗 技术 MIT
麻省理工团队发明奇妙疫苗记录本:信息藏在皮肤里,用手机读数据

在一些欠发达地区,谁接种了疫苗以及谁需要补种疫苗,这些数据极有可能缺失。此外,疫苗接种卡很容易丢失,同时在电子记录不存在的地区,这些信息查询极为不便。如果没有集中的数据怎么办?科学家设想,如果能抛开疫苗记录本,将疫苗接种信息转换为容易识别的信息,并由人随身携带,就能大大提高追踪疫苗接种的效率。

麻省理工学院研究人员开发了一种可记录疫苗接种的微针,该微针将近红外荧光量子点与疫苗一起注射,可在皮肤下存储疫苗接种信息。这种量子点是一种半导体纳米晶体,可在皮下保留至少 5 年,肉眼不可见,因其可发出近红外光,可以通过特制的智能手机来读取其中信息。

MIT中国学者发明皮肤里的疫苗接种卡,5年后依旧可用手机读取

图 | 本研究为《科学 · 转化医学》封面。微针贴片(蓝色)将封装的量子点微球(绿色)递送到皮肤中。

12 月 18 日,这项研究发表在《科学 · 转化医学》(Science Translational Medicine)上。第一作者有 2 位,分别是原麻省理工学院博士后、现莱斯大学生物工程专业的助理教授 Kevin McHugh 和来自中国科学院化学研究所胶体界面与热力学重点实验室的荆莉红副研究员。通讯作者是来自麻省理工学院科赫癌症研究所的研究科学家 Ana Jaklenec 博士和 Robert Langer 教授。

Langer 同时是麻省理工学院化学工程与生物工程学院教授,是生物工程学领域的著名学者,尤其以对靶向药物输送系统和组织工程学的研究而知名。

肉眼不可见

MIT中国学者发明皮肤里的疫苗接种卡,5年后依旧可用手机读取

图 | 疫苗信息存储在微针中,肉眼不可见的染料图案可由智能手机读取。左图,荧光微粒已分布在整个可溶性微针中。中图,刺入皮肤 2 至 5 分钟后,微针基质溶解只留下荧光微粒。右图,改装的智能手机可成像留在皮肤内的荧光图案。(来源:麻省理工学院)

研究人员希望新型的疫苗接种追踪系统能与疫苗注射兼容,且能保证信息长期储存。因为要注射,装置需要具备生物兼容性,且可迅速递送,并以智能手机来检测。

最终科学家发明了这款微针装置,其中包括量子点荧光探针。量子点原来的核心元素镉和铅被生物安全性更高的元素替代:这是一种新型的铜基量子点(quantum dot),兼以铝和硫化锌作为钝化外壳。

在半导体材料中,2 纳米到 10 纳米之间的微小晶体通常被称作量子点。它具有独特的物理特性和化学特性,可吸收某个波长的光并将其有效地转换为另一波长的光。为何选择量子点呢?因其可发肉眼不可见的光,发光效率高、稳定且可调节。

研究人员采用了 850 纳米至 1100 纳米的荧光波长,这样可减轻其对皮肤的不利影响,并增强硅基检测器的灵敏度。

这些点直径只有约 4 纳米,可发射近红外光,被包裹在直径 20 微米的生物相容性材料制成的微粒中。如此一来,量子点即可通过微针贴片在递送后留在皮下。

目前研究人员所用的微针系由可溶性糖和水溶性高分子聚合物聚乙烯醇(PVA)的混合物,以及量子点微粒与疫苗所制成。当刺入皮肤,长 1.5 毫米的微针就会溶解,并于 2 分钟内释放出量子点微粒和疫苗。

研究人员可以在微针内选择性添加微粒,如此即可使其在皮下显示不同的图案。将这些图案与相应疫苗对应即可读取信息。当然,图案读取需要机器学习来实现。

测试表明,量子点图案在模拟日晒 5 年后还可以用智能手机检测到。

研究人员用大鼠进行了疫苗接种试验,验证了微针疫苗的有效性。这也表明,将疫苗和量子点囊括在微针中一同注射,既不会影响疫苗有效性,也不会干扰检测量子点荧光信号。

有效免疫

MIT中国学者发明皮肤里的疫苗接种卡,5年后依旧可用手机读取

图 | 研究人员将携有医学信息的量子点注射到猪皮肤中。(来源:麻省理工学院)

医学信息存储也有其他尝试。据《科学美国人》报道,哈佛医学院四年级学生 Ruchit Nagar 试图在印度开发另外一种医疗信息存储的形式。他们设计了一款利用射频识别(RFID)技术的项链,其中存储了母亲怀孕史、孩子成长历程以及疫苗接种史。

不过研究人员认为,与此前科学家开发的基于智能手机的数据库应用程序、指纹识别和近场通信追踪疫苗记录技术相比,微针是一种稳定、廉价且便捷的技术。

研究人员认为,与传统的纸质或电子接种记录相比,微针系统摒弃了对接种数据库的依赖,也不需要专业的医务人员进行操作,可以快速确定疫苗接种信息,避免疫苗接种记录错误,可确定某一特定人群的疫苗覆盖率,尤其适用于资源匮乏的地区。

研究人员在论文中表示,这项研究验证了在皮肤中记录无形数据的概念。其创新之处在于,使用了定制的微针阵列,将无镉、铅的光稳定的量子点封装到皮肤中,并可用智能手机来提取皮肤中的数据。

如今研究人员准备在非洲国家进行调查,以了解如何推广这个疫苗接种信息策略。

当然,微针还可将疫苗接种日期以及疫苗批号等信息纳入进来。

尽管微针由生物兼容性材料制成,在用于人体之前,这款微针还需要进行临床前安全性和毒理学试验以及人体验证。

目前世界上并没有标准化的疫苗信息记录标准,跨国疫苗接种信息追踪是一个大难题。佐治亚理工学院化学与生物分子工程学系主任 Mark Prausnitz 评价说,这是一种新颖的手段,患者仅受到微弱的针刺,同时得到了一种优雅的信息存储。

此外,这种微针可能不需要冷链来存储,具有较长的保质期,这就更加方便发展中国家和地区应用。这项工作是由盖茨基金会资助的。

Langer 说,这是一种适合发展中国家的信息存储、生物传感以及疫苗信息读取的可选途径。说到生物传感,研究人员希望将来能追踪糖尿病患者的胰岛素水平。

专访荆莉红:为何选择量子点荧光方案

MIT中国学者发明皮肤里的疫苗接种卡,5年后依旧可用手机读取

荆莉红,中国科学院化学研究所胶体界面与热力学重点实验室副研究员,主要研究方向是半导体荧光纳米晶体的制备、性质研究及生物医学应用。她于 2017 年 1 月到 2018 年 2 月在美国麻省理工学院科赫癌症研究所做访问学者,合作导师是 Robert Langer。在本研究中,荆莉红参与了实验设计,设计并合成了量子点,参与了光学表征和分析、量子点封装,并参与了体外试验。

DeepTech:你是如何参与到这项工作中的?为何选择了这个题目?

荆莉红:这个项目支持来自盖茨基金会 (BMGF)。Robert Langer 实验室每个季度都会与盖茨基金会交流,有次盖茨基金会明确提出一个在资源匮乏的欠发达地区普遍存在的很严重的问题,就是不知道这些地方的儿童是否需要接种疫苗,因为他们没有疫苗记录,所以无法获取疫苗接种信息,因此这些儿童可能面临错失接种救命疫苗的机会,事实上,目前全球还有约 2000 万儿童还没有接种救命的疫苗。为了解决这个紧迫的问题,于是我们就讨论应该怎么做记录。这里有 3 个核心问题。

其一是信息标记需要肉眼不可见,有足够的稳定性。你肯定不能像刺青一样做标记,因为那岂不谁都能看见了,我们就想到了用荧光检测的方法,相对于其他影像检测,荧光检测灵敏度高,便携快速,成本低。因为我从博士开始,一直做荧光量子点与纳米生物检测。那就想到能不能用荧光量子点来做这个事情。要让皮肤里面的信息看不见,就要超越肉眼可见,我们就想到用近红外光。

其二是材料的生物相容性及皮肤递送问题。因为要植入到真皮里边,就把量子点封装在 FDA 批准的生物相容性材料中,然后用可降解微针贴片进行递送。

其三是便携检测。对于检测问题,拿大型的仪器去偏远地区现场检测不现实,也不便捷,成本太高,我们就想到用这种成本低的改造手机。

DeepTech:请你解释一下何为量子点,以及为何选择量子点?

荆莉红:它就是一个纳米级的半导体晶体,也就是纳米晶体。当这个纳米级晶体的尺寸接近或小于激子波尔半径的时候,它就会有量子尺寸效应,展现出来尺寸依赖的发光。当然,需要给它能量来激发电子到激发态,比如说用光激发,然后电子从激发态回到基态的辐射跃迁过程中释放光子,才会发光,否则是不会发光的。

因为我们所用的量子点探针是近红外的发射,肉眼看不见,所以我们需要用近红外手机,它是改造过的,可以检测近红外的荧光。

DeepTech:手机改装容易吗?

荆莉红:需要把感光元件改为定制的近红外感光元件,这样做成本也很低。

DeepTech:这个装置如何保证隐私?是不是说任何人用这种智能手机都能读取免疫信息?

荆莉红:光学器件是定制的,因此它不像使用任何智能手机成像图案那样简单。此外,在资源匮乏地区将该技术与当前标准进行比较也很重要。纸质疫苗接种卡是使用最广泛的记录保存形式,但是只要有访问权限的人都可以轻松阅读,也提供其他可用于恶意目的的识别信息。我们提出的隐形记录模式实际上确保了更大的私密性,因为它们仅提供有关疫苗接种历史的信息,因此患者可以选择匿名,此数据库提供了更大的隐私性。

DeepTech:世卫组织对此研究有什么评论或者是建议吗?

荆莉红:研究刚刚公布,目前世卫组织还没有直接对此研究的评论。但是我们知道世卫组织现在最关心的问题之一就是疫苗接种率,因为近些年疫苗接种率提升有限,而今年疫情爆发,世卫组织关心如何准确获得疫苗接种数据进而指定疫苗接种战略,尤其是那些流离失所人群,没有严谨的疫苗记录与中央数据库。他们要想掌控这些数据特别困难,于是就一直考虑如何用一些先进的技术来记录疫苗接种信息。

DeepTech:防疫工作者以及疾控人员有没有什么建议?

荆莉红:现在正在和资源匮乏的国家或地区的一线医护工作者进行调研工作,当然也需要各种志愿者努力。

DeepTech:中国会有这项工作的应用吗?

荆莉红:现在在中国还没有计划,目前只是针对的是缺乏好的医疗记录条件的欠发达国家。

DeepTech:除了疫苗信息储存,这项研究其他的应用是什么样的?

荆莉红:虽然医疗病历显然是该技术的出色应用,但它可以用于对个人想要以其他不可见的方式存储在自己身上的任何类型的信息进行编码。生物传感中也可能有较长期的应用。

当然还可以用于动物,比如猪,因其皮肤不同,还需要改进一下微针形状和疫苗剂量。

DeepTech:这项工作下一步是怎样的?

荆莉红:除了进一步安全性验证,要解决产品可靠与批量稳定生产的问题,还需要进一步优化感光元件以提高检测灵敏度。

麻省理工科技评论

From Tech to Deeptech