DOI: https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c05688
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39686914
تاريخ النشر: 2024-12-17
المؤلف: Amadeo Sena‐Torralba وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطورات في توصيل الأدوية عبر الجلد
نظرة عامة
تقدم البحث رقعة جديدة من مصفوفة الإبر المجوفة المدمجة مع اختبار المناعة بتدفق جانبي (HMA-LFIA) مصممة للرصد المستمر لشفاء الجروح المزمنة. يعالج هذا الجهاز قيود أخذ العينات التقليدية عن طريق استخراج سائل الجرح مباشرة من مصفوفة الجرح، مما يوفر طريقة تقييم سريعة وقليلة التوغل. يكشف اختبار المناعة عن ميتالوبروتيناز المصفوفة 8 (MMP-8)، وهو علامة حيوية حاسمة لمرحلة الشفاء التكاثري، محققًا حساسية مثيرة للإعجاب تبلغ 80.3%. الرقعة، التي تعتبر فعالة من حيث التكلفة بأقل من 0.10 يورو لكل وحدة وتتميز بارتفاع 865 ± 6 ميكرومتر، تسمح بأخذ عينات غير مؤلمة وقد أظهرت متانة وتوافق حيوي من خلال اختبارات ميكانيكية وسامة للخلايا.
في التحقق السريري باستخدام نموذج جلد خارج الجسم، نجحت الرقعة في استخراج متوسط 61 ± 6 ميكرولتر من السائل، مع معدل استرداد بنسبة 122% لاكتشاف MMP-8. يمكن لـ HMA-LFIA اكتشاف MMP-8 بحساسية تبلغ 0.7 نانوغرام/مل، وهو أقل بكثير من العتبة لمرحلة التكاثر (164.7 نانوغرام/مل)، وتوفر النتائج في غضون 10 دقائق، مما يسهل التفسير المباشر من قبل الأطباء. تعزز هذه الطريقة المبتكرة بشكل كبير رعاية الجروح اللامركزية، مما يمكّن من الرصد المنزلي الذي قد يؤدي إلى تحسين التدخل المبكر وتقليل زيارات المستشفى، وبالتالي تعزيز تشخيصات نقطة الرعاية في إدارة الجروح.
مقدمة
تستعرض المقدمة المراحل الأربع لشفاء الجروح: التجلط، الالتهاب، التكاثر والإصلاح، وإعادة البناء، مع التأكيد على أن الجروح المعقدة غالبًا ما تعاني من التهاب مطول يتميز بارتفاع نشاط MMP-8، وهو علامة حيوية تشير إلى تلف الأنسجة وضعف الشفاء. يتجاوز العبء الاقتصادي لعلاج الجروح المزمنة في أوروبا 10.84 مليار يورو، مع ارتفاع معدلات السمنة والسكري وشيخوخة السكان من المحتمل أن تزيد من انتشار الجروح المزمنة. الطرق التشخيصية الحالية، التي تعتمد بشكل أساسي على تقييم الألم والفحص البصري، تستغرق وقتًا طويلاً وتتطلب خبرة، مما يبرز الحاجة إلى خيارات اختبار منزلية حساسة وموثوقة.
لمعالجة هذه التحديات، يقترح المؤلفون رقعة جديدة من مصفوفة الإبر المجوفة (HMA) المدمجة مع شريط اختبار المناعة بتدفق جانبي (LFIA) لاستخراج وتحليل سائل الجرح مباشرة. تتيح هذه الطريقة المبتكرة أخذ عينات غير مؤلمة، متجاوزة قيود الطرق التقليدية مثل خزعات الأنسجة وأخذ العينات. تم التحقق من رقعة HMA من خلال نموذج خارج الجسم، مما يمكّن من جمع سائل الجرح بشكل متسق وحجم كافٍ لتحليل LFIA دون تخفيف، مما يوفر نتائج سريعة في الموقع لاتخاذ القرارات السريرية. شملت الدراسة 90 مريضًا لتقييم MMP-8 كعلامة حيوية لشفاء الجروح، وتم تصنيع رقعة HMA باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد، محققة دقة عالية وتكلفة منخفضة، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في تشخيص الجروح.
الطرق
تستعرض قسم الطرق الإجراءات التجريبية المستخدمة في الدراسة، موضحة المواد والمواد الكيميائية والأجهزة المستخدمة. تشمل الأنشطة الرئيسية تصنيع مصفوفة ميكروية قائمة على الهيدروجيل مطبوعة ثلاثية الأبعاد (HMA)، وتوصيف قدرات اختراق HMA، وتقييمات السمية الخلوية. بالإضافة إلى ذلك، يصف القسم تقييم قدرات الاستخراج لرقعة مدمجة واكتشاف ميتالوبروتيناز المصفوفة-8 (MMP-8) باستخدام اختبار المناعة بتدفق جانبي (HMA-LFIA). تم تقييم أداء HMA-LFIA أيضًا من خلال اختبارات على عينات ملوثة واختبار خارج الجسم لت quantifying MMP-8، مع تفاصيل شاملة متاحة في البيانات التكميلية.
النتائج
تقيّم الدراسة إمكانية ميتالوبروتيناز المصفوفة-8 (MMP-8) كعلامة حيوية تشخيصية لشفاء الجروح. تم تحليل MMP-8، وهو إنزيم كولاجين رئيسي في كل من الجروح الشافية والقرحات غير الشافية، في 90 عينة سائل من المرضى في مراحل مختلفة من شفاء الجروح باستخدام ELISA. أظهرت النتائج أن تركيز العتبة البالغ 164.7 نانوغرام/مل يميز بفعالية المرحلة الالتهابية عن المرحلتين التكاثريتين والمختلطتين (ANOVA، p = 0.003؛ Tukey، p = 0.02). بالإضافة إلى ذلك، أسفرت تحليل منحنى التشغيل الاستقبالي (ROC) عن منطقة تحت المنحنى (AUC) تبلغ 0.80 (p < 0.001)، مما يدل على حساسية تبلغ 80.3% في تحديد قرحات الضغط خلال المرحلة التكاثرية. تشير هذه النتائج إلى أن مستويات MMP-8 يمكن أن تكون مؤشراً موثوقاً لرصد تقدم شفاء الجروح. علاوة على ذلك، يقدم البحث اختبار المناعة بتدفق جانبي قائم على جزيئات الذهب (LFIA) لت quantifying MMP-8 في سائل الجرح، مما يملأ فجوة في الأدوات التشخيصية الحالية. أظهر LFIA حد كشف (LoD) يبلغ 0.7 نانوغرام/مل وحد تقدير (LoQ) يبلغ 1.1 نانوغرام/مل، متفوقًا على الاختبارات السابقة لاكتشاف MMP-8. أداء الاختبار ذو صلة خاصة للرصد في الوقت الحقيقي لمستويات MMP-8، مما يسهل التدخلات السريرية في الوقت المناسب ويمكّن المتخصصين في الرعاية الصحية من تخصيص العلاجات بناءً على مرحلة شفاء الجرح. قد تحسن هذه الطريقة المبتكرة في LFIA بشكل كبير من نتائج المرضى من خلال توفير تقييمات سريعة ودقيقة لديناميات شفاء الجروح.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على تطوير وتحسين رقعة مصفوفة ميكروية مجوفة مطبوعة ثلاثية الأبعاد (HMA) مصممة لتحسين أخذ عينات السائل في البيئات السريرية. تتميز HMA بشكل رصاصة مع أبعاد دقيقة، بما في ذلك قطر الطرف 20 ميكرومتر، والذي تم تحقيقه من خلال تحسين المعلمات بعناية في طباعة الاستريوليثوغرافي. أظهرت الدراسة أن وقت التعرض البالغ ثانيتين لكل طبقة أسفر عن أكثر أبعاد الإبر المجهرية موثوقية، مع انحرافات طفيفة عن التصميم المدعوم بالكمبيوتر (CAD). كشفت التوصيفات الميكانيكية أن رقعة HMA يمكن أن تحقق أعماق إدخال كبيرة في نموذج جلد محاكي، مما يؤكد قوتها وفعاليتها للتطبيقات السريرية.
بالإضافة إلى ذلك، أشار تقييم السمية الخلوية إلى أن المادة المطبوعة ثلاثية الأبعاد متوافقة حيويًا، مما يضمن السلامة عند الاتصال بالسوائل الحيوية. تم التحقق من قدرات الاستخراج لنظام HMA-LFIA باستخدام نموذج قرحة خارج الجسم، حيث نجحت الرقعة في جمع وقياس سائل الجرح، مع قياس مستويات MMP-8 بشكل خاص. أظهرت النتائج معدلات استرداد عالية وقابلية للتكرار، مما يبرز إمكانية النظام للرصد في الوقت الحقيقي لشفاء الجروح. بشكل عام، تقدم الدراسة تقدمًا واعدًا في تشخيص نقطة الرعاية، مما يجمع بين تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد المبتكرة واختبار المناعة بتدفق جانبي (LFIA) الحساس لإدارة فعالة لرعاية الجروح.
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c05688
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39686914
Publication Date: 2024-12-17
Author(s): Amadeo Sena‐Torralba et al.
Primary Topic: Advancements in Transdermal Drug Delivery
Overview
The research presents a novel hollow microneedle array patch integrated with a lateral flow immunoassay (HMA-LFIA) designed for the continuous monitoring of chronic wound healing. This device addresses the limitations of traditional swab sampling by directly extracting wound exudate from the wound matrix, thus providing a minimally invasive and rapid assessment method. The immunoassay detects matrix metalloproteinase 8 (MMP-8), a critical biomarker for the proliferative healing phase, achieving an impressive sensitivity of 80.3%. The patch, which is cost-effective at less than €0.10 per unit and features a height of 865 ± 6 μm, allows for painless sampling and has demonstrated durability and biocompatibility through mechanical and cytotoxicity tests.
In clinical validation using an ex vivo skin model, the patch effectively extracted an average of 61 ± 6 μL of exudate, with a 122% recovery rate for MMP-8 detection. The HMA-LFIA can detect MMP-8 at a sensitivity of 0.7 ng/mL, well below the threshold for the proliferative phase (164.7 ng/mL), and provides results within 10 minutes, facilitating straightforward interpretation by clinicians. This innovative approach significantly enhances decentralized wound care, enabling at-home monitoring that could lead to improved early intervention and reduced hospital visits, thereby advancing point-of-care diagnostics in wound management.
Introduction
The introduction outlines the four phases of wound healing: hemostasis, inflammation, proliferation and repair, and remodeling, emphasizing that complex wounds often experience prolonged inflammation characterized by elevated MMP-8 activity, a biomarker indicative of tissue damage and impaired healing. The economic burden of chronic wound treatment in Europe exceeds €10.84 billion, with rising rates of obesity, diabetes, and aging populations likely to increase the prevalence of chronic wounds. Current diagnostic methods, primarily reliant on pain assessment and visual inspection, are time-consuming and require expertise, highlighting the need for sensitive and reliable home testing options.
To address these challenges, the authors propose a novel hollow microneedle array (HMA) patch integrated with a lateral flow immunoassay (LFIA) strip for the direct extraction and analysis of wound exudate. This innovative approach allows for non-invasive sampling, overcoming the limitations of traditional methods such as tissue biopsies and swabbing. The HMA patch, validated through an ex vivo model, enables consistent exudate collection and sufficient volume for LFIA analysis without dilution, providing rapid, on-site results for clinical decision-making. The study involved 90 patients to assess MMP-8 as a wound-healing biomarker, and the HMA patch was fabricated using 3D stereolithography, achieving high resolution and low cost, marking a significant advancement in wound diagnostics.
Methods
The Methods section outlines the experimental procedures utilized in the study, detailing the reagents, materials, and instrumentation employed. Key activities include the fabrication of a 3D-printed hydrogel-based microarray (HMA), characterization of the HMA’s piercing capabilities, and cytotoxicity assessments. Additionally, the section describes the evaluation of the extraction capabilities of an integrated patch and the detection of matrix metalloproteinase-8 (MMP-8) using a lateral flow immunoassay (HMA-LFIA). The performance of HMA-LFIA was further assessed through tests on spiked samples and an ex vivo assay for quantifying MMP-8, with comprehensive details available in the Supplementary Data.
Results
The study evaluates the potential of matrix metalloproteinase-8 (MMP-8) as a diagnostic biomarker for wound healing. MMP-8, a key collagenase in both healing wounds and nonhealing ulcers, was analyzed in 90 exudate samples from patients at various wound healing phases using ELISA. The results indicated that a threshold concentration of 164.7 ng/mL effectively differentiated the inflammatory phase from the proliferative and mixed phases (ANOVA, p = 0.003; Tukey, p = 0.02). Additionally, receiver operating characteristic (ROC) curve analysis yielded an area under the curve (AUC) of 0.80 (p < 0.001), demonstrating 80.3% sensitivity in identifying pressure ulcers during the proliferative phase. These findings suggest that MMP-8 levels can serve as a reliable indicator for monitoring wound healing progress. Furthermore, the research introduces a gold nanoparticle-based lateral flow immunoassay (LFIA) for quantifying MMP-8 in wound exudate, filling a gap in existing diagnostic tools. The LFIA exhibited a limit of detection (LoD) of 0.7 ng/mL and a limit of quantification (LoQ) of 1.1 ng/mL, outperforming previous assays for MMP-8 detection. The assay's performance is particularly relevant for real-time monitoring of MMP-8 levels, facilitating timely clinical interventions and enabling healthcare professionals to tailor treatments based on the wound healing phase. This innovative LFIA approach could significantly improve patient outcomes by providing rapid and accurate assessments of wound healing dynamics.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the development and optimization of a 3D-printed hollow microarray patch (HMA) designed for improved exudate sampling in clinical settings. The HMA features a bullet shape with precise dimensions, including a tip diameter of 20 μm, which was achieved through careful parameter optimization in stereolithography printing. The study demonstrated that an exposure time of 2 seconds per layer yielded the most reliable microneedle dimensions, with minimal deviations from the computer-aided design (CAD). The mechanical characterization revealed that the HMA patch could achieve significant insertion depths into a skin simulant, confirming its robustness and effectiveness for clinical applications.
Additionally, the cytotoxicity assessment indicated that the 3D-printed material is biocompatible, ensuring safety for contact with biofluids. The extraction capabilities of the HMA-LFIA system were validated using an ex vivo ulcer model, where the patch successfully collected and quantified wound exudate, specifically measuring MMP-8 levels. The results showed high recovery rates and reproducibility, underscoring the system’s potential for real-time monitoring of wound healing. Overall, the study presents a promising advancement in point-of-care diagnostics, combining innovative 3D printing technology with sensitive lateral flow immunoassay (LFIA) for effective wound care management.