《Nature Communications》：Living sensor display implanted on skin for long-term biomarker monitoring
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本研究针对传统生物标志物检测方法侵入性强、无法长期连续监测的难题，开发了一种基于角质形成细胞干细胞（KSCs）的"活体传感器显示屏"。通过基因工程改造KSCs，使其在炎症因子TNF-α刺激下表达增强型绿色荧光蛋白（EGFP），并构建组织工程皮肤移植至小鼠体内。结果显示，移植皮肤长期稳定存活，成熟为类人皮肤结构，并可重复响应TNF-α和脂多糖（LPS）诱导的炎症反应，实现无创、连续、高灵敏度的体内生物标志物监测。该技术为慢性病管理和早期诊断提供了新范式。
在精准医疗时代，连续监测生物标志物（如炎症细胞因子）对疾病预防和管理至关重要。然而，传统检测方法（如间歇性采血）存在侵入性强、无法反映动态变化等局限。尽管可穿戴设备已实现部分生理指标连续监测，但对微量不稳定分子（如半衰期仅15分钟的TNF-α）的检测仍面临挑战。自然界中，活细胞通过膜蛋白识别和细胞内信号放大系统，具备卓越的敏感性与特异性，为生物传感提供了新思路。
本研究创新性地利用皮肤角质形成细胞干细胞（KSCs）的自我更新和分化特性，开发出可长期植入的"活体传感器显示屏"。通过基因工程改造人类表皮角质形成细胞（NHEKs），使其在NF-κB通路被TNF-α激活时表达EGFP，并构建三维组织工程皮肤移植至免疫缺陷小鼠（SHO小鼠）。移植皮肤不仅长期稳定存活，还意外分化出人类特有的乳头状结构，荧光信号可通过体表无创观测，实现对炎症状态的重复性监测。
关键技术方法包括：
- 1.
构建含NF-κB响应元件（RE）和EGFP重复序列的慢病毒载体，转染NHEKs；
- 2.
与正常人真皮成纤维细胞（NHDFs）共培养构建组织工程皮肤；
- 3.
移植至SCID Hairless Outbred（SHO）小鼠背部，建立活体监测模型；
- 4.
通过定制光学系统定量分析荧光强度，结合免疫组化验证细胞来源与炎症反应。
评估响应炎症细胞因子的NHEK细胞
研究人员通过慢病毒系统将不同数量NF-κB响应元件（RE）和EGFP基因组合转染至NHEKs，发现含3个RE和2个EGFP的构建体（No.4）在20 ng/mL TNF-α刺激下荧光强度最高。时间曲线显示，EGFP表达在12小时显著上升，24小时达到峰值，且响应浓度低至0.2 ng/mL。交叉实验表明，细胞仅对NF-κB通路相关因子（TNF-α、IL-1β）产生响应，而对IL-2和LPS无反应。与人外周血单核细胞（PBMCs）共培养实验中，LPS激活的PBMCs可诱导荧光增强，模拟人体炎症环境。
响应TNF-α刺激的组织工程皮肤评估
将转基因NHEKs与NHDFs在气液界面培养形成皮肤模型，HE染色显示其具有类似天然皮肤的分层结构（基底标记CK14+、真皮标记Vimentin+、基底层胶原IV+）。添加TNF-α后，表皮层EGFP荧光强度在17小时显著升高，动态范围与二维培养一致，证实三维环境下保持生物传感功能。
移植至小鼠的TNF-α响应性组织工程皮肤
移植4周后，组织工程皮肤成功定植，形成人源线粒体阳性的乳头状结构。炎症细胞浸润分析（Ly6g+中性粒细胞、F4/80+巨噬细胞）显示移植反应在4周后消退。移植区域面积在30天内缩小后保持稳定超过200天，为荧光定量标准化提供基础。
移植皮肤的TNF-α响应性
移植2个月后，皮下注射TNF-α可诱导荧光信号在1-2天达到峰值，28天后重复刺激仍可再次激活响应。免疫组化证实EGFP表达仅限移植区域，且伴随炎症细胞聚集，证明活体传感器特异性识别体内刺激。
体内炎症反应检测
腹腔或静脉注射LPS后，荧光响应较TNF-α延迟但显著，第二次刺激呈现更强反应（可能与SCID小鼠适应性免疫"渗漏"有关）。免疫染色显示中性粒细胞和巨噬细胞浸润，表明传感器可通过免疫细胞间接监测炎症状态。
结论与意义
该研究首次实现基于工程化皮肤的长期、无创体内生物标志物监测。移植皮肤在体内成熟为类人结构，干细胞巢维持转基因细胞长期自我更新，突破传统传感器寿命限制。通过NF-κB通路放大机制，系统可检测pg/mL级微量分子，且通过更换受体靶标有望拓展至其他标志物（如缺氧应激、激素）。尽管免疫原性（如EGFP）和伦理问题仍需优化，该技术为慢性炎症性疾病管理、宠物健康监测等领域提供创新工具，推动活体细胞在生物医学中的应用边界。
