美国芝加哥大学最新Science：活性生物集成电子平台治疗炎症

一、【科学背景】

结合生物力学、生物基因和生物电特性的生物材料提供了与组织建立逼真、生物界面的潜力。生物电子学已经成为捕获生理信号，监测炎症，并执行靶向治疗不可或缺的技术。然而，传统生物电子学的主要挑战是它们与生物组织的整，。机械生物电子学中的力学差异会导致界面不连续，影响信号保真度。水凝胶作为一个中间层，在电子和生物系统之间架起了一座机械桥梁，但它们可能无法为组织建模提供必要的细胞功能。因此，生物电子学用于监测炎症状况时，缺乏同步免疫调节的生物原性能力。限制了生物电子学在解决各种疾病复杂性方面的多功能性。为了扩大生物电子学在组织修复和监测中的作用，迫切需要设计具有增强生物活性的接口。固有的生物系统，如细菌和哺乳动物细胞，自然表现出细胞信号的产生和传递，这可能被用于炎症管理。然而，将这些生物实体整合到生物电子学中是一个挑战，主要是由于缺乏精确的控制机制和对外来细胞和宿主疾病之间的动态的透彻理解。

二、【科学创新】

来自芝加哥大学的Jiping Yue, Bozhi Tian和罗格斯大学的Simiao Niu教授强强联合，推出了活性生物集成活电子(ABLE)平台，同时有机结合了生物基因、生物力学和生物电学的特性。合成活体生物界面，包括生物电子学布局和表皮葡萄球菌负载的水凝胶复合材料；在微生物-哺乳动物关系中实现多模态信号转导。通过电生理记录和皮肤电阻抗、体温和湿度的无线探测，ABLE监测微生物驱动的银屑病干预。相关成果以“Active biointegrated living electronics for managing inflammation”为题发表在国际顶级期刊Science上。

图1具有生物活性接口的活体生物电子学装置，可实现皮肤病的无线诊断和治疗；(A)示意图，活体生物电子学能够收集信息、诊断疾病和提供治疗；(B)通过生物电子学、水凝胶和细菌的三个关键维度的相互作用对于生物集成的活电子功能至关重要；(1)生物聚合物提高细菌活力； (2)细菌调节皮肤免疫环境；(3)生物电子学通过电传感从皮肤上收集信息；(4)生物电子学通过电刺激管理细菌的生物安全性；(5)水凝胶包封有利于细菌的长期储存和生存；(6)活性水凝胶的粘弹性保证了与皮肤组织的稳定相互作用；(7)水凝胶的粘弹性有利于皮肤信息的收集；(8)水凝胶的生物力学特性有助于生物危害管理；(9)水凝胶的皮肤粘附性改善了长期的信息收集；(C)与传统的生物电子接口相比，ABLE结合了生物电、生物力学和生物源领域的功能；(D)照片显示各种ABLE设备配置。© 2024 AAAS

图2合理设计具有生物基因、生物力学和生物电功能的生物电子学的活生物界面；(A)模拟生物膜的天然组成，用明胶和淀粉作为蛋白质和多糖聚合物构建双网水凝胶，即活的生物界面；(B)在各种多糖中，木薯淀粉最能维持细菌活力；(C)在糊化过程中，直链淀粉从淀粉颗粒内部的无定形薄片中泄漏出来，提高了细菌的生存能力；(D)荧光图显示淀粉颗粒在不同温度下热处理后的结构变化；(E)共聚焦显微镜成像显示表皮葡萄球菌在活的水凝胶基质内的分布；(F)淀粉糊化可促进细菌在活的水凝胶基质中存活至少4天；(H)示意图及照片为记录肌电信号的活体水凝胶混合网状电子装置的结构构型；(I)空间强度图显示了大鼠腿部15个电通道的肌电活动；(J)金生物电子学生物界面与活水凝胶涂层的信噪比© 2024 AAAS

图3 ABLE能够记录银屑病的电生理信号，诊断银屑病，治疗银屑病；(A) ABLE在牛皮癣诊断和治疗中的功能示意图；(B)用于sECG记录的活体水凝胶混合网状电子装置的结构示意图和照片；(C)六导联心电图信号显示I、II、III、aVL、aVR和aVF导联的心律；(D)活体生物电子设备报告，与对照组相比，银屑病皮肤的心电图记录信噪比较低；(E)基于FPCB的ABLE结构示意图；(F)用于皮肤监测和活体水凝胶调制的无线生物电子学电路图；(G)第0天和第4天的代表性照片，显示ABLE治疗牛皮癣；牛皮癣样特征，包括红斑、硬结和脱屑，都大大减少；(H)牛皮癣皮损阻抗，用ABLE测量，表示恢复进展。结果与银屑病严重程度指数(PSI)一致 © 2024 AAAS

图4 ABLE用于研究疾病治疗中的活体生物界面-组织相互作用；(A) H&E染色的代表性图像；(B)细胞角蛋白14和F4/80染色的代表性双免疫组化图像；(C) CD31染色的代表性免疫荧光图像；(D)皮肤病变细胞因子分析显示IFN-g和IL-17显著下调，IFN-g和IL-17在炎症细胞募集和角化细胞增生中起重要作用；(E) LEfSe分类群分析表明，ABLE处理后细菌多样性发生改变。(F)在ABLE治疗期间，表皮葡萄球菌在皮肤上几乎检测不到，金黄色葡萄球菌的相对丰度在ABLE治疗后降低；(G)热图显示银屑病相关基因的表达谱；(H) Geneontology (GO)和弦图显示几个重要的银屑病相关基因被划分到不同的簇中© 2024 AAAS

三、【科学启示】

在生物医学应用的背景下，本文验证了一个集成的活体生物接口-生物电子学设备的功效。利用银屑病模型，展示了通过活体界面促进治疗效果的活体生物电子设备的临床适应性潜力。生命材料和电气系统之间的有机结合为探索生物和非生物系统之间的相互作用提供了新的机会。

本文由虚谷纳物供稿；

论文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl1102