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为解决疫苗反应原性难以客观量化的问题，研究人员开展了利用可穿戴传感器和数字孪生技术开发个性化新冠疫苗反应原性数字生物标志物的研究。结果显示该数字生物标志物能更好预测全身反应原性，与免疫反应相关。这对优化疫苗方案意义重大。
在疫苗接种领域，有效激活先天免疫系统对疫苗发挥作用至关重要，而炎症反应是免疫系统激活的初始表现。疫苗诱导的炎症程度不仅影响其耐受性，还可能关乎疫苗的功效。目前，监测疫苗相关炎症的急性反应主要依靠对反应原性（即疫苗相关炎症的身体表现）的症状追踪，但这些数据的主观性强，容易受到安慰剂效应（nocebo effect）的影响，难以准确反映个体的生理反应。而且，现有的客观测量方法，如基于血液的可溶性因子检测，存在侵入性强、样本量有限、检测频率和持续时间受限等问题，非侵入性检测方法又尚未被证明有效。因此，开发一种能够客观、准确量化个体对疫苗反应的方法迫在眉睫。
为了解决这些问题，来自美国普渡大学（Purdue University）、Prolaio Health、加拿大 CellCarta 等机构的研究人员开展了一项研究。他们利用可穿戴传感器和数字孪生技术，开发出一种个性化的数字生物标志物，旨在更精准地衡量个体对 COVID-19 疫苗的反应。该研究成果发表在《Communications Medicine》杂志上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是使用医疗级的可穿戴贴片传感器（VitalPatchTM），其能连续采集多种生物特征数据；二是运用基于相似性建模（SBM）的机器学习方法，分析处理采集到的数据，为每位参与者建立个性化的生理动态基线模型，即 “生理数字孪生”。通过对比接种疫苗前后的数据，去除个体预期的生理变化，从而分离出疫苗诱导的变化，构建出多变量反应原性变化指数（MCIR）。研究样本来自通过两种研究方案招募的志愿者，这些志愿者均为计划接种 COVID-19 疫苗的人群。
下面介绍具体的研究结果：
- 参与者情况：共有 107 人同意参与研究，涉及 137 剂疫苗接种。经筛选，最终 88 名参与者、104 剂疫苗的数据纳入分析。参与者中女性占 47.7%，平均年龄 37.9±13.9 岁，部分人有过 COVID 感染史。接种的疫苗主要为 Moderna 的 mRNA-1273、Pfizer-BioNTech 的 BNT162b2，还有 1 人接种 Janssen 病毒载体疫苗1。
- 可穿戴设备数据：参与者在接种疫苗前平均佩戴传感器 4.2±2.1 天，接种后平均佩戴 7.6±3.0 天，数据可用率达 96%。在群体层面，接种疫苗后 3 - 4 天，心率（HR）、活动量、皮肤温度、心率变异性（HRV）和呼吸频率（RR）等相对于个体接种前基线出现了虽小但显著的变化23。
- 单参数生理变化：在 85 名有第二剂或加强剂接种数据的参与者中，54% 的人在接种后出现了一个或多个单参数至少一个标准差的变化，其中皮肤温度、HR、RR、HRV 和活动量出现变化的个体比例分别为 33%、28%、13%、8% 和 1%4。
- 多变量变化指数（MCIR）：将多个参数的个体差异整合为 MCIR，通过计算 MCIR 曲线下面积（AUC MCIR）评估个体疫苗相关反应原性。结果显示，第二剂或加强剂接种后，65% 的剂量导致 MCIR 显著增加，而第一剂接种后仅 53%。且接种 mRNA-1273 疫苗的参与者总反应似乎更大、持续时间更长，但与接种 BNT162b2 疫苗的参与者相比，组间差异不显著56。
- MCIR 与主观反应原性的关系：参与者通过应用程序自我报告接种疫苗后的症状。在有症状数据的 89 剂疫苗接种中，11.2% 的人无任何症状，10.1% 的人仅有局部症状，78.6% 的人有全身症状。与仅有局部或无报告症状的疫苗接种相比，出现全身症状的疫苗接种在 AUC MCIR 上有显著更高的反应，而单个生物特征指标与全身症状无显著关联78。
- MCIR 与免疫原性的关系：在 21 名参与免疫原性子研究的参与者中，20 人有足够的可穿戴设备数据。研究发现，接种疫苗后 14 天，SARS-CoV-2 抗刺突蛋白 IgG 滴度变化与 AUC MCIR 显著正相关；白细胞介素 21 表达的 CD4+细胞频率变化与 AUC MCIR 显著正相关，而干扰素 -γ 表达的 CD8+细胞频率变化与 AUC MCIR 显著负相关910。
研究结论和讨论部分指出，该研究开发的数字生物标志物 MCIR 能够捕捉个体接种疫苗后独特的生理反应，与全身症状报告以及免疫反应存在显著关联。这一成果有助于客观评估个体对疫苗的反应，对优化疫苗开发和部署具有重要意义。不过，研究也存在一些局限性，如缺乏血清生物标志物来确认接种疫苗后的生理变化仅由炎症引起，分析仅基于贴片传感器数据，无法确定更多数据是否能提升量化反应原性和预测免疫原性的临床价值，且无法排除抗炎药物的潜在影响等。尽管如此，若该数字生物标志物能在进一步研究中得到验证，有望在改善疫苗安全性和有效性方面发挥关键作用，为个性化医疗的发展提供有力支持。
