Nicht-invasive Immunüberwachung mittels bandagierender Mikronadelpflaster

Forscher am Jackson Laboratory (JAX) haben in Zusammenarbeit mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) das erste verbandähnliche Mikronadelpflaster entwickelt, mit dem die Immunantworten des Körpers schmerzlos von der Haut abgetastet werden können. Das Gerät erkennt Entzündungssignale innerhalb von Minuten und sammelt innerhalb von Stunden spezialisierte Immunzellen, ohne dass Blutabnahmen oder chirurgische Biopsien erforderlich sind.

Das Pflaster hilft Forschern und Ärzten bereits dabei, Immunreaktionen bei Alterung und Autoimmunität der Haut, einschließlich Vitiligo und Psoriasis, zu untersuchen. In Zukunft könnte es einfacher sein, zu verfolgen, wie Menschen auf Impfstoffe, Infektionen und Krebstherapien reagieren, indem es herkömmliche Bluttests und Biopsien ergänzt und gleichzeitig die Patienten erheblich schont.

Die Studie erscheint in Naturbiomedizinische Technik.

Traditionell erfordert die Untersuchung einiger der wichtigsten Immunzellen im Körper eine Hautbiopsie oder Blutabnahmen. Da viele dieser Zellen in Geweben wie der Haut leben und darauf reagieren, war der Zugang zu ihnen mit invasiven Eingriffen verbunden. Wir haben gezeigt, dass wir sie stattdessen schmerzlos und nichtinvasiv erfassen können. Dies ist besonders wichtig in empfindlichen oder sichtbaren Bereichen wie dem Gesicht oder dem Hals, wo Menschen aufgrund von Narbenbildung oft keine Biopsie wünschen, sowie bei älteren Erwachsenen, gebrechlichen Patienten und sehr kleinen Kindern oder Kleinkindern.“

Sasan Jalili, biomedizinischer Ingenieur und Immunologe bei JAX

Ursprünglich während Jalilis Postdoktorandenausbildung am MIT entwickelt, wurde die Plattform durch die Zusammenarbeit mit der University of Massachusetts Chan Medical School (UMass Chan) weiter verfeinert, optimiert und von Mausmodellen bis zur klinischen Anwendung am JAX weiterentwickelt.

Nutzung eines natürlichen Immunalarmsystems

Die meisten Tests zur Überwachung von Immunzellen und Entzündungsbiomarkern basieren auf Blutuntersuchungen, aber viele der Zellen, die bestimmte Infektionen, Impfstoffe oder Autoimmunauslöser erkennen, zirkulieren nur spärlich im Blut.

Das Pflaster nutzt residente Gedächtnis-T-Zellen, Immunwächter, die in der Haut und anderen „Barriere“-Geweben leben und schnell auf zuvor aufgetretene fremde Bedrohungen oder Antigene reagieren. Wenn diese Zellen ein bekanntes Antigen erkennen, etwa ein Fragment eines Virus oder ein Allergen, schlagen sie „Alarm“ und geben Signale ab, um weitere Immunzellen aus dem Blutkreislauf anzulocken, darunter die hochspezialisierten T-Zellen, die dieselbe Bedrohung erkennen.

Durch die Auslösung dieses natürlichen Prozesses, der wichtige Immunzellen in der Haut konzentriert, bewerteten die Forscher gezielt Immunreaktionen. Das Probenmaterial enthüllte die Anzahl und den Zustand von T-Zellen und anderen Signalmolekülen und bot eine dynamische Aussage über die Stärke und Reaktionsfähigkeit des Immunsystems auf bestimmte Krankheiten und Zustände.

„In dieser Studie haben wir Antigen-spezifische T-Zellen als Machbarkeitsnachweis verwendet, aber das Pflaster erfasst auch andere Immunzellen und Entzündungsbiomarker“, sagte Jalili, die auch gemeinsames Fakultätsmitglied an der UConn School of Medicine ist.

In Mäuseimpfungsmodellen steigerte das Pflaster die Erholung antigenspezifischer T-Zellen dramatisch, indem es viele dieser Zellen aus dem Blutkreislauf und nicht aus der Haut rekrutierte. In einem menschlichen Test bei UMass Chan sammelte das Pflaster auch eine reichhaltige Mischung aus Immunzellen und Signalproteinen, einschließlich residenter Gedächtnis-T-Zellen.

„Diese Studie ist die erste Demonstration der Probenahme lebender menschlicher Immunzellen mithilfe eines Mikronadelpflasters“, sagte Jalili. „Dies öffnet die Tür zu einer neuen Art der Überwachung von Immunreaktionen, die praktisch, schmerzlos und klinisch durchführbar ist.“

Erweiterung der Toolbox zur Immunüberwachung

Das Pflaster absorbiert Immunzellen und Signalproteine ​​aus der Haut, nachdem residente Gedächtnis-T-Zellen mit einer kleinen Menge Antigen kurzzeitig reaktiviert werden. Es enthält Hunderte mikroskopisch kleiner Nadeln aus einem von der FDA zugelassenen Polymer. Ein aus Algen gewonnenes Hydrogel, das von der FDA ebenfalls als sicher eingestuft wird, umhüllt die Nadeln und absorbiert Immunzellen und Moleküle aus der interstitiellen Hautflüssigkeit. Die Mikronadeln erreichen nur die oberen Hautschichten und verursachen minimale Reizungen und keine Schäden an Nerven oder Blutgefäßen.

Bluttests und Biopsien werden weiterhin wichtige Instrumente sein, und zusätzliche Studien zur Bestimmung der Wirkung des Pflasters bei verschiedenen Krankheiten und Patientengruppen sind im Gange. Aber die ersten Ergebnisse seien besonders vielversprechend, sagte der Co-Autor der Studie, Darrell Irvine, ein Immunologe und Bioingenieur bei Scripps Research, der mit der Arbeit am MIT begann.

„Wir haben nicht nur umfangreiche präklinische Experimente durchgeführt, sondern konnten auch einen ersten Test am Menschen durchführen“, sagte Irvine. „Das ist aufregend, weil es bei brandneuen Technologien fast nie passiert. Die Umstellung neuer Technologien aus dem Labor auf Tests an Patienten dauert oft Jahre.“

Das Pflaster kann besonders bei Hauterkrankungen nützlich sein, da im Gewebe bereits Immunzellen leben, die Erkrankungen wie allergische Dermatitis, Psoriasis und Vitiligo auslösen. Jalili nutzt es bereits, um im Rahmen des Pepper Scholars Program der UConn School of Medicine und des UConn Center on Aging zu untersuchen, wie altersbedingte Hautveränderungen zu chronischen Entzündungen und Gebrechlichkeit bei älteren Erwachsenen beitragen.

Mit Blick auf die Zukunft könnte das Pflaster schließlich die Überwachung zu Hause unterstützen und es Patienten mit Hauterkrankungen ermöglichen, unvorhersehbare Schübe zu verfolgen. Die Technologie könnte auch für Mund- oder Nasenhöhlen angepasst werden und so die Möglichkeit eröffnen, die Immunantwort der Schleimhäute zu überwachen.

„Die Leute müssten nicht stundenlang Proben nehmen. Schon 15 bis 30 Minuten können ausreichen, um Entzündungssignale zu erkennen und ein Gefühl dafür zu bekommen, was im Gewebe passiert“, sagte Jalili.

Weitere Autoren dieser Studie sind Ryan R. Hosn vom Massachusetts Institute of Technology; Wei-Che Ko und Khashayar Afshari von der Chan Medical School der University of Massachusetts; Ashok Kumar Dhinakaran vom Jackson Laboratory; Namit Chaudhary und Laura Maiorino vom Massachusetts Institute of Technology; Nazgol Haddadi von der Chan Medical School der University of Massachusetts; Anusha Nathan, Matthew A. Getz und Gaurav D. Gaiha vom Ragon Institute of Massachusetts General Hospital; Mehdi Rashighi und John E. Harris von der Chan Medical School der University of Massachusetts; und Paula T. Hammond vom Massachusetts Institute of Technology und dem Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Diese Arbeit wurde vom NIH (Auszeichnung U01AI176310), dem Jackson Laboratory, dem Ragon Institute of MGH, MIT und Harvard sowie dem Koch Institute Support Grant P30-CA14051 des National Cancer Institute unterstützt.

Die Autoren haben eine vom MIT eingereichte Patentanmeldung im Zusammenhang mit den in dieser Arbeit präsentierten Daten eingereicht.

Quellen: