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近年來，心血管疾病（CVDs）和代謝性疾病（MDs）的發病率和死亡率上升，給社會和醫療系統帶來了巨大負擔和挑戰。因此，監測和治療這兩種類型的疾病已成為關鍵的公共衛生任務。CVDs廣義上指與血管和心臟相關的疾病，如心肌病、冠狀動脈心臟病、心臟瓣膜病、冠狀動脈粥樣硬化和內膜增生，也稱為循環系統疾病。這些疾病通常由其他疾病、不健康的生活方式和環境及遺傳因素的組合引起。如果病情嚴重，可能對患者的生命構成威脅。內分泌MDs指與內分泌器官中的激素失衡相關的疾病，主要是糖尿病、痛風、骨質疏松癥和肥胖癥。這些疾病通常與多種因素有關，如遺傳缺陷、不健康的生活方式、環境因素和不適當的醫療治療。MDs相互影響并可能共存，這可能增加殘疾和死亡的風險。CVDs和MDs有許多共享的風險因素和相互聯系；由于它們的關聯，治療這兩種類型的疾病需要一種綜合方法。然而，目前用于監測和治療這兩類疾病的醫療器械存在體積龐大、難以攜帶、患者接受度和依從性低等諸多問題。
微針（MNs）作為一種新興的診斷和治療技術，其應用逐漸成為醫學研究的熱點，為上述問題提供了全新的解決方式。MNs由一系列微米級的針附著在基板上組成，可以像創可貼一樣貼在皮膚上。藥物可以通過MNs穿透皮膚角質層，直接進入體液循環。此外，通過微米級的針進行非侵入性提取體液也可以監測血糖、尿酸等指標。在監測CVDs和MDs時，MNs可以通過檢測生物標志物并提供及時警告來跟蹤患者的疾病進展和變化，以預防相關疾病。MNs的監測技術具有可穿戴性、微創性、便利性和直觀性的優點，在社區衛生保健、家庭健康監測和戶外醫療救援等各種環境中顯示出顯著的應用前景。與傳統監測相比，它簡化了操作過程，縮短了等待時間，減輕了患者的心理壓力，并提高了用戶體驗。此外，在治療CVDs和MDs時，MNs通過在生物組織上創建微通道，顯著增強了組織對小分子和大分子藥物的經皮吸收能力。這種新興治療技術的優勢在于能夠實現精確的劑量控制，有效防止由不當劑量引起的潛在毒性風險。它不僅摒棄了傳統注射方法的不便，還確保藥物直接有效作用于目標區域，實現原位治療，大大提高了藥物的生物利用度。
2024年7月30日，中國醫學科學院阜外醫院黃源醫師、北京化工大學莊儉副教授合作以“Cutting-Edge microneedle innovations: Transforming the landscape of Cardiovascular and Metabolic Disease Management”為題在國際知名雜志iScience發表綜述文章，他們系統概述了微針用于疾病監測與疾病治療的原理及方式，聚焦于心肌類疾病、血管類疾病、以及糖尿病和痛風等代謝性疾病幾個典型的應用場景，系統總結了微針在治療和監測CVDs和MDs的最新研究進展，并給出了微針之于CVDs和MDs臨床應用這一醫工交叉領域的挑戰和發展方向。
圖1. 微針用于心血管與代謝疾病的監測與診斷
微針在心血管疾病監測中的應用
目前，關于使用微針進行心血管疾病監測的研究仍然相對有限，這是由于微針技術的利用不足和推廣有限，加上心血管疾病監測本身所固有的挑戰。為了滿足心臟病患者長期心電圖信號監測的需求，Satti等人設計了一種剛性的聚苯胺-N-氧化物涂層微針電極陣列。這一創新使得長期心電圖信號監測成為可能，具有低接觸阻抗和更穩定的生物電位，性能優于傳統的銀-氯化銀電極。醫生可以通過接收微針電極的輸出信號，及時準確地診斷心律失常。此外，這種微針電極適用于長期監測，不影響心電圖信號質量。隨著微針的開發和應用逐漸普及，以及對心血管疾病監測的需求不斷增加，微針在心血管疾病監測方面的研究將會增加。微針在這一領域仍有改進空間，可以通過與其他醫療技術結合，通過各種技術手段和方法實現更準確、全面和高效的心血管疾病監測目標。
微針（MNs）在心血管疾病治療中的應用
微針可以方便地附著在血管上而不損傷血管，并可以根據聚合物的溶解實現緩慢和持續的藥物釋放，減少治療頻率，維持穩定的血藥濃度，從而縮短治療周期，減輕各種副作用，為冠狀動脈粥樣硬化、心血管疾病內膜增生以及其他血管疾病的治療提供了希望。微針技術在血管疾病治療中的成功應用揭示了其在其他疾病治療中的潛力。微針可以方便地固定在目標組織上而不造成損傷，并通過聚合物溶解實現緩慢和持續的藥物釋放，減少治療頻率，維持穩定的藥物濃度，縮短治療周期，減少副作用。這些優勢使微針在慢性疾病、皮膚病、腫瘤等治療中具有廣闊的應用前景，可以顯著提高藥物輸送效率和治療效果，同時增強患者的依從性（圖3、4）。
微針在監測和治療代謝性疾病（MDs）中的應用
代謝性疾病是現代醫療實踐中的一個挑戰，包括糖尿病、痛風、骨質疏松癥和肥胖癥等多種疾病。監測這些疾病涉及到生物標志物檢測，這是一個關鍵但要求高的過程，通常需要頻繁地從患者那里收集樣本，一些方法可能對患者健康構成潛在傷害。傳統的MDs治療通常包括飲食控制、鍛煉，必要時進行手術。盡管傳統治療在一定程度上可以改善MDs，但它們通常受到療效不佳和顯著副作用風險的限制。
圖7. 微針在其他代謝性疾病治療中的應用
結論與展望
微針在監測和治療心血管疾病和代謝性疾病方面取得了快速進展。作為一種創新的疾病監測方式，微針提供了兩個好處：減輕患者的不適和提高監測的舒適度，同時克服了傳統檢測方法的不足，從而提高了監測的精確度和靈敏度。作為一種新型的藥物輸送方法，微針增強了藥物的生物利用度，實現了靶向藥物輸送，并減少了與系統治療相關的副作用，與傳統的注射和口服攝入方法形成對比。然而，在微針實際應用于心血管疾病和代謝性疾病的臨床治療之前，仍有許多困難需要克服。首先，需要克服提高微針貼片的藥物攜帶能力和藥物的經皮效率的困難，以提高治療效果。其次，需要關注微針制造材料的生物相容性和安全性，實時跟蹤微針貼片作用后體內可能發生的炎癥和免疫反應，并及時找到有效的對策。此外，在臨床應用之前，相關技術必須經過嚴格的臨床試驗，以確定其安全性和有效性，并獲得監管批準。
圖8. 微針的未來發展方向
原文鏈接https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(24)01840-6
【作者簡介】
黃源，通訊作者，中國醫學科學院阜外醫院心臟外科醫師。主要研究方向為心血管疾病相關的腸道菌群研究、醫工結合及人工智能研究、心衰及肺動脈高壓研究、心血管疾病負擔研究等。以通訊/第一作者在The innovation、iMeta（Cover Story）、Microbiome、Research、Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology (Cover Story)、iScience（Cover Story）等國際知名雜志發表多篇高水平SCI論文，其中封面文章3篇，單篇最高IF 33.2，累計影響因子IF＞180+。同時擔任iMeta執行副主編、National Science Review編委、The innovation青年編委、Research青年編委、Genomics, Proteomics & Bioinformatics青年編委等。擔任Nature Medicine、Nature Electronics、The Innovation、Advanced Materials、Intensive Care Medicine、National Science Review、Med等國際知名雜志特邀審稿人，北京科技人才研究會會員，主持國家自然科學基金1項，主持中央高水平醫院臨床科研業務費基金1項。
莊儉，女，北京化工大學機電工程學院塑料機械及塑料工程研究所副教授。主要從事高分子材料微納制造、聚合物藥物遞送微針迭代設計、制備及其應用、高分子材料成型裝備及其數字孿生。主持國家重點研發計劃子課題，國家自然科學基金項目等項目，參與了“十一五”國家科技支撐項目、北京市自然基金、企業橫向等項目。發表專著2部，授權發明專利10余項，學術論文50余篇，其中SCI或EI檢索論文20余篇。
