近日，清华大学医学院生物医学工程系刘冉课题组与国家纳米科学中心吴燕团队、蒋乔、丁宝全团队合作，北京清华长庚医院赵邑团队是国际著名的学术期刊《Advanced Materials》本文报道了基于DNA折纸的微针器件，用于定量检测患者的血糖（Fluorescence-Amplified Origami Microneedle (FAOM) Device for Quantitatively Monitoring Blood Glucose）。传统的采血方法大大降低了患者对血糖检测的顺从性。传统的血液采集方法大大降低了患者对血糖检测的顺从性。在研究中，作者建立了一个微针贴片，用荧光分子装饰DNA管折纸结构和葡萄糖氧化酶，可以直接粘贴在患者的皮肤上，以实现皮下组织间液中血糖的定量检测。葡萄糖氧化酶将微针贴片原位收集的葡萄糖转换为质子信号，然后质子信号驱动DNA管状结构，将荧光分子与相邻淬灭剂分离，导致荧光信号恢复。对微针贴片中DNA折纸荧光信号的恢复程度进行评估，对患者的血糖水平进行定量检测。李宪磊、徐雪辉、清华大学王可微是国家纳米科学中心论文的共同第一作者。
图1. 基于DNA折纸的微针系统设计和监测血糖原理
作者首先评估了葡萄糖诱导的荧光信号在溶液系统中的恢复。研究表明，质子信号可以驱动DNA折纸从三维管状结构转变为二维平面结构。在含有葡萄糖氧化酶和DNA折纸的溶液系统中，葡萄糖浓度越高，质子信号浓度越高，DNA管状结构打开得越多，荧光信号就越强。此外，DNA折纸的荧光信号与葡萄糖浓度呈正相关，这意味着溶液系统中的葡萄糖水平可以根据DNA折纸荧光信号的强度定量计算。
图2. DNA管状折纸结构及其荧光信号转换表征的设计
用于封装传感器的微针贴片由交联透明质酸骨架组成，针尖为金字塔结构，尺寸为微米。透明质酸交联结构保证针尖不会被皮肤间质液溶解，减少其内容物的泄漏。同时，针尖结构采用PVA外壳进一步保护，避免DNA折纸结构与皮肤直接接触。与单链DNA发卡结构相比，三维DNA管状结构可以保证其更好地镶嵌在透明质酸网络结构中，使其尽可能少地释放到皮肤组织中，大大提高其安全性能，避免荧光信号的损失。与注射针采血相比，微针器件不会诱导炎性细胞迁移到试验部位，降低感染风险。作者使用糖尿病小鼠评估FAOM器件的可行性，发现FAOM器件的荧光信号与测试小鼠的血糖水平呈正相关函数关系，表明小鼠的血糖水平可以根据FAOM的荧光信号进行定量评估。
图3. FAOM器件的制备和表征
图4. FAOM安全性和可行性评估
最后，作者使用FAOM器件来评估和测试糖尿病患者的水平。FAOM器件贴在受试者皮肤上产生的微痕可在20分钟内消失，疼痛程度远低于常规针头采血。FAOM的荧光信号通过研究FAOM器件中葡萄糖的扩散动力学和氧化酶的催化动力学，在粘贴到皮肤上5分钟后可以稳定，因此受试者的采样时间约为5分钟。为了定量计算受试者的血糖水平，作者首先根据已知患者的血糖值和相应的FAOM荧光信号值建立函数曲线，用于后期临床试验的信号转换。函数曲线的斜率很高，表明FAOM的荧光信号对血糖变化的敏感性很高。基于FAOM荧光信号计算的血糖值在30组盲测实验中基本接近血生化分析仪测试的血糖值。FAOM器件可达98.70，与血液生化分析仪测试的血糖结果相比， ± 4.77%的准确性。
图5. FAOM临床可行性评估
简而言之，作者通过整合荧光成像、DNA折纸和微针贴片的优点，开发了一种安全、无痛、定量、高灵敏度和准确性的血糖测试方法。它大大提高了患者对血糖检测的顺从性和耐受性，为糖尿病患者的实时血糖检测提供了新的技术。
该工作得到了科技部重点研发项目、国家自然科学基金、清华大学精准医学研究计划、清华大学医学院-厦门长庚医院过敏性疾病联合研究中心项目的大力支持。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202208820
(原标题:医学院刘冉研究组《Advanced Materials》基于DNA折纸的微针器件定量检测血糖技术合作报告)
