DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-024-02115-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39994390
تاريخ النشر: 2025-02-24
المؤلف: Jooli Han وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطورات في توصيل الأدوية عبر الجلد
نظرة عامة
يتناول هذا القسم الحاجة الملحة لتسجيل السجلات الطبية بدقة في سياق التدخلات الطبية الموقوتة، وخاصة للعلاجات المعتمدة على mRNA التي تتطلب غالبًا جرعات متعددة. يسلط الضوء على التحديات التي تطرحها السجلات الطبية غير الموثوقة أو غير المتاحة في نقطة الرعاية، مما يمكن أن يؤدي إلى علاجات غير فعالة ويعيق جهود الوقاية من الأمراض. لمعالجة هذه المشكلة، يقدم المؤلفون تقنية مبتكرة تستخدم الإبر الدقيقة لتخزين المعلومات الطبية بشكل غير مرئي داخل جلد المريض. لا يسهل هذا النظام فقط توصيل العلاجات المعتمدة على RNA الرسول (mRNA) ولكنه أيضًا يشفر السجلات الطبية للمريض باستخدام جزيئات ميكروفلوروسنت قريبة من الأشعة تحت الحمراء.
تظهر الدراسة سلامة وفعالية وموثوقية هذه التقنية ذات الوظائف المزدوجة من خلال دراسات طويلة الأمد في نموذج خنزير، مع التركيز بشكل خاص على التوصيل المشترك لتسجيل السجلات الطبية ولقاح mRNA لـ SARS-CoV-2. من خلال استخدام معالجة الصور المعتمدة على التعلم العميق لتشفير وفك تشفير المعلومات، تضمن هذه الطريقة دقة زمانية ومكانية قوية. يجادل المؤلفون بأن هذه التقنية يمكن أن تعزز بشكل كبير تقديم الرعاية الصحية، خاصة في المناطق التي تفتقر إلى تسجيل موثوق، مما يعزز المساواة في الرعاية الصحية العالمية ويحسن الالتزام بالعلاجات الطبية، وهو تحدٍ كبير يؤثر حاليًا على نتائج المرضى في جميع أنحاء العالم.
الطرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون تطوير وتحسين مواد وهندسة OPMR MNP لتشفير إشارة الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR). تم توليد إشارة NIR باستخدام نقاط كمومية CuInS\(_2\)/ZnS (QDs) ذات عائد كمي عالي من الفوتولومينسنس يبلغ 77%، مع ذروة عند 890-897 نانومتر. تم احتواء هذه النقاط الكمومية في جزيئات PMMA لتعزيز حجمها واستقرارها وتوافقها الحيوي، مع الحفاظ على عملية الاحتواء لعائد فوتولومينسنس كمي يبلغ 73%. كانت جزيئات QD-PMMA الناتجة، المشار إليها بصبغة OPMR، بحجم تقريبي يبلغ 10 ميكرومتر في القطر، تم تأكيده عبر المجهر الإلكتروني الماسح.
استخدمت الدراسة هندسة لاصقة الإبر الدقيقة (MNP) تتكون من مصفوفة 10 × 10، مع احتواء كل إبرة على صبغة OPMR في الطرف، مصممة لتوصيل فعال لإشارات NIR تحت الجلد. تم تقييم المعلمات الرئيسية مثل كفاءة نقل البت ودوام الإشارة، مما كشف أن كل من MNPs ذات المسافة 1 مم و3 مم أظهرت كثافة إشارة مماثلة على مدى 70 يومًا، بشرط أن يتم إيداع الصبغة على عمق يتجاوز 600 ميكرومتر. في النهاية، تم اختيار تصميم MNP 10 × 10 مع مسافة 1 مم وزاوية طرف 15°، مما حقق عمق اختراق صبغة متسق بالقرب من 700 ميكرومتر داخل الأدمة، وبالتالي تحسين نظام التوصيل لنقل إشارة NIR بشكل موثوق.
المناقشة
تناقش الأبحاث تطوير وتقييم تقنية تسجيل السجلات الطبية على المريض (OPMR) القوية التي تستخدم لاصقات الإبر الدقيقة القابلة للذوبان (MNPs) التي توصل أصباغ فلورية قائمة على النقاط الكمومية للأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) لتشفير المعلومات الطبية. استخدمت الدراسة نموذج خنزير يوركشاير لتقييم متانة إشارات NIR، مع التركيز على احتفاظ الإشارة وكثافتها مع مرور الوقت. أشارت النتائج إلى أن MNPs ذات زاوية طرف 15° حققت احتفاظًا بالإشارة بنسبة 90.5% بحلول الأسبوع العاشر، متفوقة على مجموعة 30°، التي احتفظت بنسبة 75.67% بحلول الأسبوع التاسع. تشير النتائج إلى أن الاختراق الأعمق للجلد يرتبط بتحسين احتفاظ الإشارة، مما يبرز أهمية تصميم MNP في تحسين طول عمر نقل البيانات.
بالإضافة إلى ذلك، أظهرت تقنية OPMR القدرة على توصيل لقاحات mRNA جنبًا إلى جنب مع المعلومات الطبية، مما يبرز إمكاناتها في تعزيز تقديم الرعاية الصحية، خاصة في البيئات التي تفتقر إلى أنظمة تسجيل موثوقة. يستخدم نظام التشفير رمز تصحيح الأخطاء (ريد-مولر) لضمان سلامة البيانات على الرغم من احتمال تدهور الإشارة، بينما تسهل خوارزميات التعلم العميق فك تشفير المعلومات المخزنة بدقة. تختتم الدراسة بأن تقنية OPMR-MNP تقدم حلاً واعدًا لتسجيل السجلات الطبية بشكل آمن وفعال وتوصيل العلاجات، مع آثار لتحسين الالتزام الطبي وجهود التطعيم على مستوى العالم.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-024-02115-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39994390
Publication Date: 2025-02-24
Author(s): Jooli Han et al.
Primary Topic: Advancements in Transdermal Drug Delivery
Overview
The section discusses the critical need for accurate medical record-keeping in the context of timed medical interventions, particularly for mRNA-based therapeutics that often require multiple doses. It highlights the challenges posed by unreliable or unavailable medical records at the point of care, which can lead to ineffective treatments and hinder disease prevention efforts. To address this issue, the authors introduce an innovative technology that utilizes microneedles to store medical information invisibly within the patient’s skin. This system not only facilitates the delivery of messenger RNA (mRNA) therapeutics but also encodes on-patient medical records using near-infrared fluorescent microparticles.
The study demonstrates the safety, efficacy, and reliability of this dual-function technology through long-term studies in a swine model, particularly focusing on the co-delivery of medical record-keeping and an mRNA vaccine for SARS-CoV-2. By employing deep learning-based image processing for encoding and decoding information, the approach ensures robust temporal and spatial accuracy. The authors argue that this technology could significantly enhance healthcare delivery, especially in regions where reliable record-keeping is lacking, thereby promoting global healthcare equity and improving adherence to medical treatments, which is currently a significant challenge affecting patient outcomes worldwide.
Methods
In this section, the authors describe the development and optimization of OPMR MNP materials and architecture for near-infrared (NIR) signal encoding. The NIR signal was generated using CuInS\(_2\)/ZnS quantum dots (QDs) with a high photoluminescence quantum yield of 77%, peaking at 890-897 nm. These QDs were encapsulated in PMMA microparticles to enhance their size, stability, and biocompatibility, with the encapsulation process maintaining a photoluminescence quantum yield of 73%. The resulting QD-PMMA microparticles, referred to as OPMR dye, were approximately 10 μm in diameter, confirmed via scanning electron microscopy.
The study employed a microneedle patch (MNP) architecture consisting of a 10 × 10 array, with each needle containing OPMR dye at the tip, designed for effective intradermal delivery of NIR signals. Key parameters such as bit transfer efficiency and signal durability were evaluated, revealing that both 1-mm and 3-mm pitch MNPs exhibited similar signal intensity over a 70-day period, provided the dye was deposited beyond a threshold depth of 600 μm. Ultimately, a 10 × 10 MNP design with a 1 mm pitch and a 15° tip angle was selected, achieving consistent dye penetration depth near 700 μm within the dermis, thereby optimizing the delivery system for reliable NIR signal transfer.
Discussion
The research discusses the development and evaluation of a robust on-patient medical record-keeping (OPMR) technology utilizing dissolvable microneedle patches (MNPs) that deliver quantum dot-based near-infrared (NIR) fluorescent dyes for encoding medical information. The study employed a Yorkshire pig model to assess the durability of NIR signals, focusing on signal retention and intensity over time. Results indicated that MNPs with a 15° tip angle achieved a signal retention of 90.5% by week 10, outperforming the 30° group, which retained 75.67% by week 9. The findings suggest that deeper skin penetration correlates with better signal retention, highlighting the importance of MNP design in optimizing data transfer longevity.
Additionally, the OPMR technology demonstrated the capability to co-deliver mRNA vaccines alongside medical information, showcasing its potential for enhancing healthcare delivery, especially in settings lacking reliable record-keeping systems. The system’s encoding utilizes an error-correcting code (Reed-Muller) to ensure data integrity despite potential signal degradation, while deep learning algorithms facilitate accurate decoding of the stored information. The study concludes that the OPMR-MNP technology offers a promising solution for secure, efficient medical record-keeping and therapeutic delivery, with implications for improving medical adherence and immunization efforts globally.