Biokompatybilne kropki kwantowe bliskiej podczerwieni dostarczane do skóry przez plastry mikroigłowe rejestrują szczepienie
Na płycie
Szczepionki zapobiegają chorobom i ratują życie; Jednak brak standaryzowanej dokumentacji szczepień utrudnia śledzenie zasięgu szczepień na całym świecie. McHugh i in. opracowali rozpuszczalne mikroigły, które dostarczają wzory mikrocząstek emitujących światło bliskiej podczerwieni do skóry. Wzory cząstek są niewidoczne dla oka, ale można je obrazować za pomocą zmodyfikowanych smartfonów. Dostarczając szczepionkę, wzór cząstek w skórze może służyć jako zapis szczepień osobistych. Wzorce wykryto 9 miesięcy po śródskórnym dostarczeniu mikrocząstek szczurom, a jednoczesne dostarczanie inaktywowanego wirusa polio doprowadziło do produkcji przeciwciał ochronnych. Dyskretne wzory mikrocząstek dostarczanych mikroigłowo w świńskiej i pigmentowanej ludzkiej skórze można było zidentyfikować za pomocą półautomatycznego uczenia maszynowego. Wyniki te potwierdzają koncepcję prowadzenia śródskórnej dokumentacji szczepień osobistych.
Abstrakt
Dokładne prowadzenie dokumentacji medycznej jest poważnym wyzwaniem w wielu środowiskach o niskich zasobach, w których nie istnieją dobrze utrzymane scentralizowane bazy danych, przyczyniając się do 1,5 miliona zgonów, którym można zapobiec dzięki szczepieniom. Poniżej przedstawiamy podejście do kodowania historii medycznej pacjenta za pomocą przestrzennego rozkładu biokompatybilnych kropek kwantowych bliskiej podczerwieni (NIR QD) w skórze właściwej. QD są niewidoczne gołym okiem, ale wykrywalne po wystawieniu na działanie światła NIR. QD z rdzeniem selenku miedzi indu i powłoką siarczku domieszkowaną aluminium zostały dostrojone do emisji w widmie NIR poprzez kontrolowanie stechiometrii i czasu łuskania. Preparat wykazujący największą odporność na fotowybielanie po symulowanej ekspozycji na światło słoneczne (5-letni ekwiwalent) poprzez pigmentowaną skórę ludzką zamknięto w mikrocząsteczkach do stosowania in vivo. Równolegle geometria mikroigieł została zoptymalizowana in silico i zwalidowana ex vivo przy użyciu świń i syntetycznej skóry ludzkiej. Mikrocząsteczki zawierające QD osadzano następnie w rozpuszczalnych mikroigłach i podawano szczurom ze szczepionką lub bez niej. Obrazowanie podłużne in vivo za pomocą smartfona przystosowanego do wykrywania światła NIR wykazało, że wzorce QD dostarczane przez mikroigły pozostają jasne i można je dokładnie zidentyfikować za pomocą algorytmu uczenia maszynowego 9 miesięcy po aplikacji. Ponadto jednoczesne podawanie z inaktywowaną szczepionką przeciwko wirusowi polio powodowało neutralizujące miana przeciwciał powyżej progu uważanego za ochronny. Odkrycia te sugerują, że śródskórne QD mogą być wykorzystywane do niezawodnego kodowania informacji i mogą być dostarczane ze szczepionką, która może być szczególnie cenna w krajach rozwijających się i otwierać nowe możliwości zdecentralizowanego przechowywania danych i biodetekcji.
Uzyskaj pełny dostęp do tego artykułu
Wyświetl wszystkie dostępne opcje zakupu i uzyskaj pełny dostęp do tego artykułu.
Materiały uzupełniające
Streszczenie
Materiały i metody
Figa. S1. Właściwości optyczne barwników organicznych.
Figa. S2. Ewolucja właściwości emisji fluorescencji wraz z czasem łuskania.
Figa. S3. Charakterystyka żywotności fluorescencji serii S10C QD.
Figa. S4. Skład i właściwości fizyczne QD S10C5H.
Figa. S5. Stabilność pH QD w kapsułkach PMMA.
Figa. S6. Analiza elementów skończonych sił mechanicznych na mikroigłach.
Figa. S7. Optymalizacja geometrii mikroigieł z wykorzystaniem analizy metodą elementów skończonych.
Figa. S8. Szkolenie i walidacja uczenia maszynowego.
Tabela S1. Charakterystyka spektralna niestandardowych formuł QD.
Tabela S2. Wielowykładnicze parametry dopasowania dla krzywych rozpadu fotoluminescencji.
Film S1. Śródskórne podawanie i obrazowanie kapsułkowanych QD.
Plik danych S1. Indywidualne dane na poziomie przedmiotu.
Zasoby
ODNIESIENIA I UWAGI
1
E. Legesse, W. Dechasa, Ocena zasięgu szczepień dzieci i jego determinantów w dystrykcie Sinana, południowo-wschodnia Etiopia. BMC Pediatr. 15, 31 (2015).
2
R. E. Black, S. Cousens, H. L. Johnson, J. E. Lawn, I. Rudan, D. G. Bassani, P. Jha, H. Campbell, C. F. Walker, R. Cibulskis, T. Eisele, L. Liu, C. Mathers; Epidemiologia zdrowia dziecka (Child Health Epidemiology Reference Group of WHO and UNICEF, Global, regional, and national causes of child mortality in 2008: A systematic analysis). Lancet 375, 1969–1987 (2010).
3
P. G. Szilagyi, L. E. Rodewald, Utracone szanse na szczepienia: przegląd dowodów. J. Administracja Zdrowia Publicznego. Praktyka. 2, 18–25 (1996).
4
C. M. Pirkle, A. Dumont, M. V. Zunzunegui, Prowadzenie dokumentacji medycznej, niezbędny, ale pomijany aspekt jakości opieki w warunkach ograniczonych zasobów. Int. J. Qual. Health Care 24, 564–567 (2012).
5
V. S. Fields, H. Safi, C. Waters, J. Dillaha, L. Capelle, S. Riklon, J. G. Wheeler, D. T. Haselow, Mumps in a highly vaccinated Marshallese community in Arkansas, USA: An outbreak report. Lancet Infect. Dis. 19, 185–192 (2019).
6
D. W. Westphal, A. Eastwood, A. Levy, J. Davies, C. Huppatz, M. Gilles, H. Lyttle, S. A. Williams, G. K. Dowse, A prolonged mumps outbreak in Western Australia despite high vaccine coverage: A population-based surveillance study. Lancet Infect. Dis. 19, 177–184 (2019).
7
A. Lo Vecchio, M. D. Cambriglia, M. C. Fedele, F. W. Basile, F. Chiatto, M. Miraglia del Giudice, A. Guarino, Determinants of low measles vaccination coverage in children living in an endemic area. Eur. J. Pediatr. 178, 243–251 (2019).
8
M. Miles, T. K. Ryman, V. Dietz, E. Zell, E. T. Luman, Ważność kart szczepień i przypomnienie rodziców w celu oszacowania zasięgu szczepień: systematyczny przegląd literatury. Szczepionka 31, 1560–1568 (2013).
9
W. Tao, M. Petzold, B. C. Forsberg, Rutynowe szczepienia w krajach o niskim i średnim dochodzie: Dalsze argumenty za przyspieszeniem wsparcia dla usług szczepień dzieci. Glob. Działanie w dziedzinie zdrowia 6, 20343 (2013).
10
J. J. Valadez, L. H. Weld, Błąd matczynego wycofania statusu szczepień dzieci w kraju rozwijającym się. Am. J. Public Health 82, 120–122 (1992).
11
I. U. Ogbuanu, A. J. Li, B. M. Anya, M. Tamadji, G. Chirwa, K. W. Chiwaya, M. E. Djalal, D. Cheikh, Z. Machekanyanga, J. Okeibunor, C. Sanderson, R. Mihigo, Can vaccination coverage be improved by reducing missed opportunities for vaccination? Findings from assessments in Chad and Malawi using the new WHO methodology. PLOS ONE 14, e0210648 (2019).
12
A. Katib, D. Rao, P. Rao, K. Williams, J. Grant, A prototype of a novel cell phone application for tracking the vaccination coverage of children in rural communities. Comput. Methods Programs Biomed. 122, 215–228 (2015).
13
A. K. Jain, S. S. Arora, L. Best-Rowden, K. Cao, P. S. Sudhish, A. Bhatnagar, Y. Koda, Giving infants an identity: Fingerprint sensing and recognition, in Proceedings of the Eighth International Conference on Information and Communication Technologies and Development (ICTD 2016), Ann Arbor, MI, USA, 03 to 06 June, 2016 (ACM, 2016).
14
R. Nagar, P. Venkat, L. D. Stone, K. A. Engel, P. Sadda, M. Shahnawaz, A cluster randomized trial to determine the effectiveness of a novel, digital pendant and voice reminder platform on increasing infant immunization adherence in rural Udaipur, India. Vaccine 36, 6567–6577 (2018).
15
N. G. Rouphael, M. Paine, R. Mosley, S. Henry, D. V. McAllister, H. Kalluri, W. Pewin, P. M. Frew, T. Yu, N. J. Thornburg, S. Kabbani, L. Lai, E. V. Vassilieva, I. Skountzou, R. W. Compans, M. J. Mulligan, M. R. Prausnitz; TIV-MNP 2015 Study Group, The safety, immunogenicity, and acceptability of inactivated influenza vaccine delivered by microneedle patch (TIV-MNP 2015): A randomised, partly blinded, placebo-controlled, phase 1 trial. Lancet 390, 649–658 (2017).
16
M. R. Prausnitz, Engineering microneedle patches for vaccination and drug delivery to skin. Annu. Rev. Chem. Biomol. 8, 177–200 (2017).
17
Y. He, C. Hong, J. Li, M. T. Howard, Y. Li, M. E. Turvey, D. S. S. M. Uppu, J. R. Martin, K. Zhang, D. J. Irvine, P. T. Hammond, Synthetic charge-invertible polymer for rapid and complete implantation of layer-by-layer microneedle drug films for enhanced transdermal vaccination. ACS Nano 12, 10272–10280 (2018).
18
E. V. Vassilieva, H. Kalluri, D. McAllister, M. T. Taherbhai, E. S. Esser, W. P. Pewin, J. A. Pulit-Penaloza, M. R. Prausnitz, R. W. Compans, I. Skountzou, Improved immunogenicity of individual influenza vaccine components delivered with a novel dissolving microneedle patch stable at room temperature. Drug Deliv. Transl. Res. 5, 360–371 (2015).
19
D. Zehrung, C. Jarrahian, B. Giersing, D. Kristensen, Exploring new packaging and delivery options for the immunization supply chain. Vaccine 35, 2265–2271 (2017).
20
A. Krizhevsky, I. Sutskever, G. E. Hinton, ImageNet classification with deep convolutional neural networks. Commun. ACM 60, 84–90 (2017).
21
W. C. Weldon, M. S. Oberste, M. A. Pallansch, Standardized methods for detection of poliovirus antibodies. Methods Mol. Biol. 1387, 145–176 (2016).
22
K. T. Rim, K. H. Koo, J. S. Park, Toxicological evaluations of rare earths and their health impacts to workers: A literature review. Saf. Health Work 4, 12–26 (2013).
23
K. J. McHugh, L. Jing, A. M. Behrens, S. Jayawardena, W. Tang, M. Gao, R. Langer, A. Jaklenec, Biocompatible semiconductor quantum dots as cancer imaging agents. Adv. Mater. 30, e1706356 (2018).
24
M. R. Hamblin, T. N. Demidova, Mechanisms of low level light therapy. Proc. SPIE 6140, (2006).
25
A. M. Smith, M. C. Mancini, S. M. Nie, Bioimaging: Second window for in vivo imaging. Nat. Nanotechnol. 4, 710–711 (2009).
26
A. L. Antaris, H. Chen, K. Cheng, Y. Sun, G. Hong, C. Qu, S. Diao, Z. Deng, X. Hu, B. Zhang, X. Zhang, O. K. Yaghi, Z. R. Alamparambil, X. Hong, Z. Cheng, H. Dai, A small-molecule dye for NIR-II imaging. Nat. Mater. 15, 235–242 (2016).
27
H. R. Wilson, P. K. Nadeau, B. F. Jaworski, J. B. Tromberg, A. J. Durkin, Review of short-wave infrared spectroscopy and imaging methods for biological tissue characterization. J. Biomed. Opt. 20, 030901 (2015).
28
A. Baranska, A. Shawket, M. Jouve, M. Baratin, C. Malosse, O. Voluzan, T.-P. Vu Manh, F. Fiore, M. Bajénoff, P. Benaroch, M. Dalod, M. Malissen, S. Henri, B. Malissen, Unveiling skin macrophage dynamics explains both tattoo persistence and strenuous removal. J. Exp. Med. 215, 1115–1133 (2018).
29
K. Matsuo, Y. Yokota, Y. Zhai, Y.-S. Quan, F. Kamiyama, Y. Mukai, N. Okada, S. Nakagwa, A low-invasive and effective transcutaneous immunization system using a novel dissolving microneedle array for soluble and particulate antigens. J. Control. Release 161, 10–17 (2012).
30
E. Z. Loizidou, N. A. Williams, D. A. Barrow, M. J. Eaton, J. McCrory, S. L. Evans, C. J. Allender, Structural characterisation and transdermal delivery studies on sugar microneedles: Experimental and finite element modelling analyses. Eur. J. Pharm. Biopharm. 89, 224–231 (2015).
31
M. Alam, A. Geisler, D. Sadhwani, A. Goyal, E. Poon, M. Nodzenski, M. R. Schaeffer, R. Tung, K. Minkis, Effect of needle size on pain perception in patients treated with botulinum toxin Type A injections: A randomized clinical trial. JAMA Dermatol. 151, 1194–1199 (2015).
32
H. S. Gill, M. R. Prausnitz, Does needle size matter? J. Diabetes Sci. Technol. 1, 725–729 (2007).
33
L. Arendt-Nielsen, H. Egekvist, P. Bjerring, Pain following controlled cutaneous insertion of needles with different diameters. Somatosens. Mot. Res. 23, 37–43 (2006).
34
H. S. Gill, D. D. Denson, B. A. Burris, M. R. Prausnitz, Effect of microneedle design on pain in human subjects. Clin. J. Pain 24, 585–594 (2010).
35
K. A. Præstmark, M. L. Jensen, N. B. Madsen, J. Kildegaard, B. M. Stallknecht, Pen needle design influences ease of insertion, pain, and skin trauma in subjects with type 2 diabetes. BMJ Open Diabetes Res. Care 4, e000266 (2016).
36
M. L. Masid, R. H. Ocaña, M. J. Gil, M. C. Ramos, M. E. Roig, M. R. Carreño, J. C. Morales, M. L. Carrasco, L. M. Hidalgo, A. M. Felices, A. H. Castaño, P. C. Romero, P. F. Martinez, R. Sánchez-De la Rosa, A patient care program for adjusting the autoinjector needle depth according to subcutaneous tissue thickness in patients with multiple sclerosis receiving subcutaneous injections of glatiramer acetate. J. Neurosci. Nurs. 47, E22–E30 (2015).
37
O. Olatunji, D. B. Das, M. J. Garland, L. Belaid, R. F. Donnelly, Influence of array interspacing on the force required for successful microneedle skin penetration: Theoretical and practical approaches. J. Pharm. Sci. 102, 1209–1221 (2013).
38
S. K. Vashist, E. M. Schneider, J. H. Luong, Commercial smartphone-based devices and smart applications for personalized healthcare monitoring and management. Diagnostics 4, 104–128 (2014).
39
R. M. Lerner, Limitations in the use of dielectric interference filters in wide angle optical receivers. Appl. Optics 10, 1914–1918 (1971).
40
H. Chung, T. Dai, S. K. Sharma, Y.-Y. Huang, J. D. Carroll, M. R. Hamblin, The nuts and bolts of low-level laser (light) therapy. Ann. Biomed. Eng. 40, 516–533 (2012).
41
J. C. J. Wei, G. A. Edwards, D. J. Martin, H. Huang, M. L. Crichton, M. A. F. Kendall, Allometric scaling of skin thickness, elasticity, viscoelasticity to mass for micro-medical device translation: From mice, rats, rabbits, pigs to humans. Sci. Rep. 7, 15885 (2017).
42
K. He, X. Zhang, S. Ren, J. Sun, Deep Residual Learning for Image Recognition, in Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision Pattern Recognition (IEEE, 2016), pp. 770–778.
43
O. Russakovsky, J. Deng, H. Su, J. Krause, S. Satheesh, S. Ma, Z. Huang, A. Karpathy, A. Khosla, M. Bernstein, A. C. Berg, L. Fei-Fei, ImageNet large scale visual recognition challenge. Int. J. Comput. Vis. 115, 211–252 (2015).
44
J.-s. Choi, Y. Zhu, H. Li, P. Peyda, T. T. Nguyen, M. Y. Shen, Y. M. Yang, J. Zhu, M. Liu, M. M. Lee, S.-S. Sun, Y. Yang, H.-h. Yu, K. Chen, G. S. Chuang, H.-R. Tseng, Cross-linked fluorescent supramolecular nanoparticles as finite tattoo pigments with controllable intradermal retention times. ACS Nano 11, 153–162 (2017).
45
J. M. Anderson, M. S. Shive, Biodegradation and biocompatibility of PLA and PLGA microspheres. Adv. Drug Deliver. Rev. 28, 5–24 (1997).
46
H. Zhong, G. Chan, Y. Hu, H. Hu, D. Ouyang, A comprehensive map of FDA-approved pharmaceutical products. Pharmaceutics 10, 263 (2018).
47
K. Sardana, R. Ranjan, S. Ghunawat, Optimising laser tattoo removal. J. Cutan. Aesthet. Surg. 8, 16–24 (2015).
48
H. Z. Zhong, Z. B. Wang, E. Bovero, Z. H. Lu, F. C. J. M. van Veggel, G. D. Scholes, Colloidal CuInSe2 nanocrystals in the quantum confinement regime: Synthesis, optical properties, and electroluminescence. J. Phys. Chem. C 115, 12396–12402 (2011).
49
Y. Liu, D. Yao, L. Shen, H. Zhang, X. Zhang, B. Yang, Alkylthiol-enabled Se powder dissolution in oleylamine at room temperature for the phosphine-free synthesis of copper-based quaternary selenide nanocrystals. J. Am. Chem. Soc. 134, 7207–7210 (2012).
50
Z. Li, W. Yao, L. Kong, Y. Zhao, L. Li, General method for the synthesis of ultrastable core/shell quantum dots by aluminum doping. J. Am. Chem. Soc. 137, 12430–12433 (2015).
51
K. Ding, L. H. Jing, C. Y. Liu, Y. Hou, M. Y. Gao, Magnetically engineered Cd-free quantum dots as dual-modality probes for fluorescence/magnetic resonance imaging of tumors. Biomaterials 35, 1608–1617 (2014).
52
C. A. Schneider, W. S. Rasband, K. W. Eliceiri, NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nat. Methods 9, 671–675 (2012).
53
R. Mishra, T. K. Bhattacharyya, T. K. Maiti, Theoretical analysis and simulation of SU-8 microneedles for effective skin penetration and drug delivery, in 2015 IEEE Sensors (IEEE, 2015), pp. 1769-1772.
54
Z. Faraji Rad, R. E. Nordon, C. J. Anthony, L. Bilston, P. D. Prewett, J. Y. Arns, C. H. Arns, L. Zhang, G. J. Davies, High-fidelity replication of thermoplastic microneedles with open microfluidic channels. Microsyst. Nanoeng. 3, 17034 (2017).
55
K. Z. Huang, Z. L. Xu, I. King, M. R. Lyu, C. Campbell, Supervised self-taught learning: Actively transferring knowledge from unlabeled data, in IEEE International Joint Conference on Neural Network (14 to 19 June 2009), pp. 481.
56
A. Quattoni, M. Collins, T. Darrell, Transfer learning for image classification with sparse prototype representations, in Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (IEEE, 2008), pp. 2300-2307.
57
S. Y. Tzeng, R. Guarecuco, K. J. McHugh, S. Rose, E. M. Rosenberg, Y. Zeng, R. Langer, A. Jaklenec, Thermostabilization of inactivated polio vaccine in PLGA-based microspheres for pulsatile release. J. Control. Release 233, 101–113 (2016).
58
P. M. Allen, M. G. Bawendi, Ternary I-III-VI quantum dots luminescent in the red to near-infrared. J. Am. Chem. Soc. 130, 9240–9241 (2008).
59
L. H. Jing, S. V. Kershaw, Y. Li, X. Huang, Y. Li, A. L. Rogach, M. Gao, Aqueous Based Semiconductor Nanocrystals. Chem. Rev. 116, 10623–10730 (2016).
60
L. A. Li, A. Pandey, D. J. Werder, B. P. Khanal, J. M. Pietyga, V. I. Klimov, Efficient synthesis of highly luminescent copper indium sulfide-based core/shell nanocrystals with surprisingly long-lived emission. J. Am. Chem. Soc. 133, 1176–1179 (2011).
61
P. Reiss, M. Protiére, L. Li, Core/Shell semiconductor nanocrystals. Small 5, 154–168 (2009).
62
Computer code associated with Biocompatible near-infrared quantum dots delivered to the skin by microneedle patches to record vaccination; doi.org/10.5281/zenodo.3571386.
(0)Listy elektroniczne
eLetters to internetowe forum do bieżącej wzajemnej oceny. Składanie e-listów jest otwarte dla wszystkich. Listy elektroniczne nie są edytowane, sprawdzane ani indeksowane. Prosimy o zapoznanie się z naszymi Warunkami świadczenia usług przed wysłaniem własnego listu elektronicznego.
Zaloguj się, aby przesłać odpowiedźŻadne e-listy nie zostały jeszcze opublikowane dla tego artykułu.
