Science：用于炎症管理的活性生物集成电子系统（2024）

摘要

摘要图
本研究开发了一种活性生物集成电子（ABLE）平台，结合生物水凝胶与电子设备，用于炎症管理和皮肤免疫调节。该平台利用含葡萄球菌的水凝胶复合材料作为活性界面，支持微生物长期生存并增强其调节皮肤免疫的能力。通过实时监测皮肤的电阻抗、湿度和温度，ABLE展现了在牛皮癣炎症管理中的卓越性能，为生物电子界面提供了全新应用路径。

关键词

  • 活性生物电子学 (Active bioelectronics)
  • 炎症管理 (Inflammation management)
  • 生物水凝胶 (Biohydrogels)
  • 微生物界面 (Microbial interface)
  • 皮肤免疫调节 (Skin immunoregulation)

研究背景

随着生物电子学在疾病监测与治疗中的应用日益广泛，如何实现电子设备与生物组织的无缝集成成为研究的核心问题。传统生物电子设备因其在机械、化学和生物特性上的差异，难以与组织形成稳定界面。本研究通过开发含有葡萄球菌的活性水凝胶，成功结合生物与电子特性，克服了传统设备在炎症管理中的局限性，开创了生物电子学在免疫调节中的新应用。

创新点

  • 开发了结合微生物与水凝胶的活性界面，显著增强炎症调节能力。
  • 实现了生物电子设备在皮肤免疫调节与炎症监测中的实时应用。
  • 提供了活性水凝胶长期存储与再生能力的全新方案。
  • 展示了ABLE在牛皮癣模型中的疗效。

研究内容

本研究开发了一种结合生物与电子特性的活性生物电子系统（ABLE）。系统通过含葡萄球菌的水凝胶复合材料，构建了一个活性界面，用以支持细菌存活并调节皮肤免疫环境。实验验证了ABLE在牛皮癣小鼠模型中的表现：通过监测皮肤电阻抗、温度和湿度，设备成功捕捉到炎症变化趋势，并通过生物电子信号调控细菌活性以实现炎症干预。进一步研究发现，该设备可实时生成生物信号，调节皮肤微环境并减少病变部位的免疫细胞浸润。研究结果表明，ABLE为解决复杂炎症疾病提供了智能化工具。

图1
图 1 | 带有活性界面的生物一体化电子设备，用于无线皮肤疾病诊断与治疗。

(a) 示意图显示了通过生物电子设备进行信息收集、疾病诊断和治疗递送的过程。
(b) 生物电子设备、凝胶和细菌之间的三大关键领域的交互是实现生物一体化电子功能的关键。1) 生物聚合物增强细菌的存活能力；2) 细菌调节皮肤免疫环境；3) 生物电子设备通过电感测收集皮肤信息；4) 生物电子设备通过电刺激管理细菌生物安全性。
(c) 比较传统生物电子接口与ABLE的多功能性能，后者结合了生物电学、生物力学和生物生成功能。
(d) ABLE设备的不同配置的照片。比例尺：2 mm、4 mm 和 3 mm。
(e) ABLE生物电接口的照片。比例尺：15 mm 和 5 mm。

图2
图 2 | 具有生物生成、生物力学和生物电功能的生物电子设备的界面设计。

(a) 模仿自然生物膜组成，利用明胶和淀粉构建双网络水凝胶（即活性界面）。
(b) 木薯淀粉在多种多糖中最佳维持细菌存活能力。
(c) 在糊化过程中，直链淀粉从淀粉颗粒的非晶层中泄露出来，增强了细菌的存活能力。
(d) 热处理后淀粉颗粒的结构转变荧光图像。比例尺：10 μm。
(e) 共聚焦显微镜图像显示细菌在水凝胶基质中的分布。比例尺：15 μm。
(f) 水凝胶基质中糊化的淀粉在至少4天内促进细菌的存活能力。
(g) 水凝胶在长期存储后能够通过重新培养恢复细菌活性。比例尺：20 mm。

图3
图 3 | ABLE设备在诊断和治疗牛皮癣中的应用。

(a) 示意图展示了ABLE在牛皮癣诊断和治疗中的功能。
(b) 活性水凝胶网格电子设备的结构配置示意图和照片。比例尺：5 mm。
(c) 六导联心电图信号，显示在不同导联（I、II、III、aVL、aVR和aVF）下的心律变化。
(d) 在牛皮癣皮肤上记录的心电信号信噪比显著降低。
(e) 无线FPCB（柔性印刷电路板）ABLE设备的结构配置示意图。
(f) 无线生物电子电路图，用于皮肤监测和水凝胶调控。
(g) 日0和日4的代表性照片显示ABLE治疗后牛皮癣症状（如红斑、硬化和脱屑）显著减轻。比例尺：5 mm。
(h) 使用ABLE测量的牛皮癣皮损阻抗，指示恢复进程，并与牛皮癣严重指数（PSI）对齐。
(i) 消毒电极通过直流电对活性水凝胶进行消毒，前后分别显示水凝胶中细菌的状态。比例尺：20 mm。

图4
图 4 | ABLE在研究生物界面与组织交互中的应用。

(a) H&E染色显示，经过ABLE治疗的牛皮癣皮损组织病理损害显著减少。比例尺：50 μm。
(b) 双重免疫组化图像表明ABLE治疗后皮损中的树突细胞和巨噬细胞比例显著下降。比例尺：50 μm。
(c) CD31免疫荧光图像显示，经过ABLE治疗的皮损中的血管形成显著减少。比例尺：50 μm。
(d) 皮损中的细胞因子分析表明，与炎症相关的IFN-g和IL-17水平显著下降。
(e) LEfSe分类学分析表明，ABLE治疗后细菌多样性发生改变。
(f) S. epidermidis在ABLE治疗期间在皮肤上的存在几乎检测不到，而S. aureus的相对丰度显著下降。
(g) 热图显示了牛皮癣相关基因的表达模式。
(h) 基因本体（GO）分析表明，多种牛皮癣相关基因分类为不同簇。
(i) GO富集分析表明，ABLE调节了与免疫反应和角质形成细胞相关的生物学过程。
(j) 提出ABLE通过调节炎症皮肤环境发挥治疗作用的机制。

结论与展望

本研究通过开发活性生物电子设备，展示了其在炎症监测与管理中的潜力。ABLE设备成功实现了对皮肤微环境的实时调节，显著降低了炎症反应，为临床应用提供了基础。未来研究将重点探索设备在其他免疫相关疾病中的应用，并进一步优化其生物兼容性与稳定性。

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原文标题：Active biointegrated living electronics for managing inflammation

Science 2024, 384, 1023–1030.

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