在池塘或水池中养殖的鱼类，正日益成为全球重要的食物来源。然而，疾病暴发会给水产养殖业带来巨大损失。
和普通养殖户一样，渔民也会使用疫苗来预防疾病暴发，但给鱼接种疫苗要比给牛接种困难得多。目前最有效的鱼类疫苗接种方式是使用针头注射，但这一过程无论对鱼还是对养殖户来说都存在不少弊端。
现在，麻省理工学院和美国农业部的一组研究人员开发出一种可能更好的疫苗递送方法。该方法使用具有防水性能的食品级微针，这些微针能轻微刺入鱼皮并附着在上面，之后再逐渐分解。在发表于《ACS Nano》期刊的一篇新论文中，研究人员描述了这一系统，并证明该系统可用于递送多种"货物"，例如细菌疫苗。
"要养活全世界，我们需要更多的鱼，鱼是蛋白质和营养的重要来源，"土木与环境工程系教授贝内德托·马雷利（Benedetto Marelli）表示，"水产养殖是大规模生产鱼类的一种非常有效的方式。我们的方法可以为养殖户提供更精准的工具来维持鱼类健康。养殖户非常关心这些鱼的健康护理问题，因此为他们提供更好的工具非常重要。"
与马雷利共同撰写该论文的还有论文第一作者、麻省理工学院博士后孟丽（Meng Li）；贾德·拉德（Jad Raad，2024届工程硕士）；曹云腾（Yunteng Cao，2022届博士），现为耶鲁大学博士后；前麻省理工学院博士后胡悦（Yue Hu）；科琳·沃尔夫（Colleen Wolfe，2023届工程硕士）；前麻省理工学院博士后金度润（Doyoon Kim）；现任麻省理工学院博士后布拉德利·弗兰克（Bradley Frank）；以及美国农业部国家冷水及凉水水产养殖中心研究员格雷戈里·威恩斯（Gregory Wiens）。
更好的疫苗递送方式
水产养殖在解决粮食不安全问题、降低能源消耗以及全球食品系统脱碳方面潜力巨大。2021年，按重量计算，养殖水生动物在全球食品产量中首次超过了野生捕捞的水生动物。
"到2050年，世界人口将增长近20亿，"马雷利说，"鱼类能提供人类所需的基本营养，它们富含蛋白质和健康脂肪，而这些营养成分很难通过其他方式制造，因此全世界都在努力增产鱼类。但渔业面临着许多挑战。"
为了防止因疾病造成的损失，养殖户采用了一系列自动化和人工接种疫苗的策略，每种方法都有各自的缺点。有些疗法可以混入鱼饲料中，但这样可能无法覆盖到每一条鱼。另一种方法是直接把药物投入池塘，让鱼浸泡在含药的水中，但这种方法需要用到远超正常剂量的药物，而且同样无法做到百分之百有效。
目前最有效的鱼类疫苗接种方式是使用金属针头。这一过程需要养殖户先将鱼麻醉，再把它们捞出水面放到传送带上，工人们要争分夺秒地完成注射，然后尽快把鱼放回水中，以尽量减少对鱼的伤害。
"工人们一条一条地给鱼注射，"孟丽解释道，"这是高强度的工作，存在血源性疾病交叉感染的风险，工人们因为操作太快，还可能不小心扎伤自己。所以这项工作既耗费人力、成本高昂，又让鱼感到应激，对工人来说也很危险。"
马雷利的实验室多年来一直致力于开发用于向植物输送营养的丝蛋白微针。这种丝蛋白已被归类为可安全用于人类食用的食品涂层材料，并能随着时间推移在人体内或环境中降解。
几年前，马雷利在东南亚一次会议上了解到鱼类疫苗接种所面临的挑战，水产养殖在那里是水产食品供应中尤为重要的一环。他的实验室获得了阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米尔水与食品系统实验室（J-WAFS）的支持，用以探索将他此前为植物开发的丝蛋白平台改造为适用于水下鱼类场景的方案。但早期的丝蛋白设计一接触水就会迅速溶解，导致疫苗瞬间释放，无法有效刺入鱼皮。
生物医学工程师孟丽从2022年起开始在马雷利的实验室参与这个项目。2024年，她获得了美国农业部的一项奖学金资助，这不仅带来了资金支持，还为她牵线搭桥，联系上了该机构及其他方面的重要合作者。例如，美国地质调查局向研究团队提供了一种用于虹鳟鱼的DNA疫苗。
马雷利将克服丝蛋白遇水变软这一难题的功劳归于孟丽。这篇新论文中描述的系统使用了一层薄薄的虫胶涂层——这是一种常用于食品涂层和药片的昆虫分泌树脂——通过提供一层在注射进鱼体之前保持完好的防潮屏障，使丝蛋白微针具备防水性能。
"材料的选择至关重要，因为我们处理的对象关乎食品安全，尽管我们预期微针最终会从鱼体上脱落，或在鱼体内降解，"孟丽说，"我们的标准是对鱼和人类都要安全。"
研究人员证明，这些微针可以储存多种疫苗，并展示了不同版本的微针，有的能在水中保持更长时间，有的则能更快地释放疫苗。
"在某些情况下，你可能希望疫苗在15分钟内释放，但在另一些情况下，释放过程可能需要持续10个小时甚至24个小时，"孟丽说，"这对疫苗以外的其他治疗用途可能也更为适用。"
在干燥条件下储存四周后，这些微针还能保持DNA质粒结构一半的完整性。
"这种稳定性非常重要，尤其是对于'最后一公里'的递送环节而言，因为水产养殖大多在农村地区进行，"马雷利说，"这使得养殖户不再需要依赖冷链基础设施来维持药效。"
保护鱼类
和陆生动物疫苗一样，鱼类疫苗在生命早期、接触疾病之前接种效果最好。这意味着养殖户想要注射疫苗的鱼体型都很小，这进一步增加了接种的难度。研究人员认为，他们的方法能为小体型鱼类提供更好的接种方式，并已在虹鳟鱼身上进行了测试。
"在虹鳟养殖中，我们面临的最大挑战之一就是如何在鱼类生命早期预防疾病，因为传统的针头注射疫苗方法在鱼长到约30克之前效果都不好，这就导致最幼小的鱼苗在关键的生长阶段得不到保护，"威恩斯说，"我们的研究表明，食品级丝蛋白微针能够在水下为体重小至1至2克的鱼类提供疫苗接种。我们设计了这种一次性微针，让它能够刺入湿润的鱼皮，在鱼游动时保持附着，并以可控的方式释放细菌疫苗或DNA疫苗。"
研究人员表示，要让这项设备能在鱼类养殖场顺利实现规模化应用，还有不少工作要做。但他们相信，这篇论文是重要的第一步。
"我们已经掌握了所有的要素，相信这项技术还可以进一步发展，"马雷利说，"目前水产养殖和鱼类疫苗接种面临着太多挑战。我们需要支持养殖户安全开展工作、改善工作条件、保护他们的生计，让疫苗接种变得更容易获取，并改善养殖鱼类的生存状况，最终提升我们所食用食品的质量。这项新技术有望成为一种更高效、更安全的解决方案。"
这项研究得到了麻省理工学院阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米尔水与食品系统实验室和美国农业部的部分资助。
