陆军军医大学与川大联合发表综述：微针＋AI，打造智能医疗的未来

摘要：随着精准医疗需求的增加和微针技术的进步，基于微针的药物输送系统已经发展成为集成的治疗诊断平台。然而，目前这些系统的发展受到缺乏明确结论和标准化构建策略的限制。端到端概念通过创建集成的过程，将目标采样、传感、分析和按需药物输送整合在一起，为治疗诊断系统提供了一种

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随着精准医疗需求的增加和微针技术的进步，基于微针的药物输送系统已经发展成为集成的治疗诊断平台。然而，目前这些系统的发展受到缺乏明确结论和标准化构建策略的限制。端到端概念通过创建集成的过程，将目标采样、传感、分析和按需药物输送整合在一起，为治疗诊断系统提供了一种创新方法。这种方法根据其他步骤的数据优化每个步骤，有效地消除了药物输送和疾病监测之间的传统分离。此外，通过结合人工智能和机器学习，这些系统可以增强疾病管理的可靠性和效率，为更个性化和有效的医疗解决方案铺平了道路。

然而，目前基于微针的集成化治疗诊断系统在精准医疗和临床应用中仍面临诸多挑战，包括监测的敏感性和稳定性、决策的准确性以及按需药物输送方法的适用性等，亟待解决。

针对此问题，中国人民解放军陆军军医大学的Gaoxing Luo，Qing Zhang团队与四川大学的Xiaoyan Lyu团队联合系统地研究了基于微针技术的集成化治疗诊断系统在精准医疗中的应用及其未来发展。相关研究以“Toward precision medicine: End-to-end design and construction of integrated microneedle-based theranostic systems”为题发表在《Journal of Controlled Release》上。

以下是对本研究目前亟待解决问题的简要概述：

（1）监测的敏感性和稳定性：基于微针的治疗诊断系统的敏感性和稳定性对于准确监测至关重要。需要开发先进的材料和方法来增强生物样本的吸收，并确保生物识别元件（如酶和抗体）在运输过程中的活性和稳定性。此外，还需要考虑防止生物污染的问题，选择合适的涂层材料以减少蛋白质和细胞在表面的积累。

（2）决策的准确性：决策的准确性和及时性对于集成化微针治疗诊断系统至关重要。目前的系统主要依赖于预定义的规则和算法，缺乏必要的个性化和适应性。未来的研究需要将监测数据和临床数据与人工智能相结合，利用机器学习技术进行更自动化的分析和准确的疾病状态预测，以提高决策的准确性。

（3）按需药物输送方法的适用性：选择合适的药物输送方法和材料对于特定疾病和药物的药代动力学至关重要。刺激响应系统虽然适用于短期、急性疾病管理，但药物负载有限。泵驱动系统则适用于长期、慢性疾病管理，能够实现连续、长期和补充的药物输送。因此，需要根据治疗需求选择合适的药物输送系统，以实现最佳的治疗效果。

这篇文章为微针技术在精准医疗中的应用提供了全面的概述，并通过介绍现有系统和未来挑战，展示了微针技术在个性化医疗中的潜力。

1.精准医疗与微针技术背景

精准医疗是一种以提高治疗效果为目标的医疗方法，通过根据每位患者的独特和不断变化的健康状况定制医疗干预措施来实现这一目标。

通过整合药物输送、遗传学和统计分析等领域，精准医疗利用数据支持知情的、个性化的护理。其核心在于使用实时患者信息的决策协议，以推荐具体行动，如选择最有效的药物、调整剂量或优化治疗时机。这种个性化策略确保患者在正确的时间获得最合适的治疗，从而比传统的通用治疗方法提供更好的结果。

微针技术，作为一种有前途的技术，已经在精准医疗中显示出巨大的潜力。微针的紧凑尺寸、有效穿透能力和便携性使其成为收集重要生物数据和精确给药的理想选择，从而在个性化精准医疗和远程医疗中发挥关键作用。

2.集成化微针治疗诊断系统

集成化微针治疗诊断系统通过将目标采样、传感、分析和按需药物输送整合到一个无缝的过程中，提供了一种创新的方法。

这种系统优化了每个步骤，并根据其他步骤的数据进行动态调整，有效地消除了药物输送和疾病监测之间的传统分离。此外，通过结合人工智能和机器学习，这些系统能够提高疾病管理的可靠性和效率，为实现更个性化和有效的医疗解决方案铺平了道路。集成化微针治疗诊断系统包括监测单元、决策单元和按需药物输送单元，这些单元协同工作，实现从生物标志物检测到药物管理的自动化和智能化。

这种集成化的设计不仅提高了系统的响应速度和用户友好性，还显著减少了人工干预的需求，为精准医疗和远程医疗应用提供了强大的支持。

图1 集成化微针治疗诊断系统基本框架和路线图

3.现有集成化微针系统示例

现有集成化微针系统展示了在疾病监测和治疗方面的巨大潜力。

例如，一个基于石墨烯的电化学设备与热响应微针结合，用于糖尿病监测和治疗。该设备包括湿度、葡萄糖、pH和震颤传感器，以及加热器和温度传感器，能够根据实时葡萄糖监测精确控制药物的释放速率和量。此外，一个完全集成的可穿戴闭环系统结合了介孔微针和离子电渗疗法，用于实时和现场糖尿病监测和治疗。该系统包括一个MN葡萄糖传感器、一个用于集成控制、记录和无线通信功能的柔性印刷电路板（FPCB），以及一个用于控制胰岛素输送的MN胰岛素输送设备。

这些系统通过集成先进的材料和电子技术，实现了动态反馈和自动化的疾病管理，显著提高了治疗效率和患者依从性。

图2 低度集成化微针治疗诊断系统示例

4.高度集成化微针系统

高度集成化微针系统通过结合监测单元、决策单元和按需药物输送单元，实现了更高级别的自动化和智能化疾病管理。

例如，一个基于石墨烯的电化学设备整合了热响应微针，用于糖尿病的监测和治疗。该设备包括用于监测湿度、葡萄糖、pH和震颤的传感器，以及用于精确控制药物释放的加热器和温度传感器。另一个例子是一个完全集成的可穿戴闭环系统，它利用介孔微针和离子电渗疗法进行实时的糖尿病监测和治疗。该系统由一个高灵敏度的MN葡萄糖传感器、一个灵活的印刷电路板（FPCB）用于控制、记录和无线通信，以及一个用于精确控制胰岛素输送的MN胰岛素输送设备组成。

这些系统通过无线通信技术和微控制器，实现了数据的实时传输和处理，确保了及时的治疗干预，代表了精准医疗领域的重要进展。

图3 高度集成化微针治疗诊断系统示例

5.微针监测单元

微针监测单元在集成化微针治疗诊断系统中扮演着至关重要的角色。

这些单元通常作为传感器工作，负责采集含有分析物的生物流体，并将其转化为易于解释的信号。微针可以通过调整长度来收集血液或组织间液（ISF）等生物样本。监测单元中的生物识别元件，如酶、抗体和适体，能够捕获目标生物标志物，并将其转化为原始数据。这些数据随后在决策单元中进行处理，通过内置算法进行信号放大、过滤和分析，以增强信噪比并提取有价值的信息。微针监测单元的设计和性能对于确保系统的准确性和可靠性至关重要，需要特别注意生物识别元件的稳定性和抗生物污染能力。

此外，监测单元还需要与先进的传感技术（如电化学、光学传感）集成，以实现高灵敏度和特异性的生物标志物检测。

图4 监测单元组成和工作流程

6.按需药物输送机制

按需药物输送机制在集成化微针治疗诊断系统中是关键组成部分，确保根据监测到的生理状态适时释放药物。

目前主要有两种药物释放机制：刺激响应不可逆药物释放和泵驱动可持续控制药物释放。刺激响应不可逆药物释放机制依赖于外部（如光、热、磁场）或内部（如pH、葡萄糖、ROS）刺激，通过改变微针材料的物理或化学性质来实现药物释放。例如，光响应微针可以通过近红外光照射触发药物释放，同时结合光热疗法增强治疗效果。泵驱动可持续控制药物释放机制则通过微泵与微针结合，实现药物的持续和精确释放，适用于需要长期管理的慢性疾病。这些机制通过集成电子控制和无线通信技术，能够根据实时监测数据自动调整药物释放，提高治疗效率和患者依从性。

选择合适的药物输送方法和材料对于特定疾病和药物的药代动力学至关重要。

图5 带可控泵的可持续微针药物输送系统

7. 未来挑战与展望

未来集成化微针治疗诊断系统的发展面临一系列挑战和机遇。

首先，监测单元的敏感性和稳定性是提升系统性能的关键，需要开发更有效的生物识别元件和抗生物污染涂层。其次，决策单元的准确性及时效性对于实现精确治疗至关重要，结合人工智能和机器学习技术可以提高系统的自动化水平和个性化治疗能力。此外，选择合适的按需药物输送方法和材料对于满足不同疾病和治疗需求至关重要。系统集成方面，需要实现各组件的无缝集成和微型化，同时保持性能不下降。未来的发展方向包括进一步集成微流体技术、生物电子设备和无线通信技术，推动系统向更智能、更便携的方向发展。

通过这些努力，集成化微针系统有望在精准医疗和远程医疗领域发挥更大的作用，为患者提供更高效、更个性化的医疗解决方案。