用于自主汗液感應(yīng)和校準(zhǔn)的可穿戴系統(tǒng)設(shè)計

汗液是一種重要的體液，含有大量反映營養(yǎng)和代謝狀況的化學(xué)物質(zhì)。從血液分析到可穿戴汗液分析的進(jìn)展可以為無創(chuàng)、連續(xù)監(jiān)測對人類健康至關(guān)重要的生理生物標(biāo)志物提供巨大潛力。然而，目前報道的可穿戴電化學(xué)傳感器主要關(guān)注有限數(shù)量的分析物，包括電解質(zhì)、葡萄糖和乳酸，因為除了離子選擇性和酶電極或電活性分子的直接氧化之外缺乏合適的連續(xù)監(jiān)測策略。因此，汗液中大多數(shù)臨床相關(guān)的營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物很少可以被現(xiàn)有的可穿戴傳感技術(shù)探索和檢測到。此外，目前的可穿戴生物傳感器通常需要劇烈運動才能獲得汗水。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，基于此，來自美國加州理工學(xué)院以及加利福尼亞大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種可穿戴電化學(xué)生物傳感器，該傳感器可用于連續(xù)分析人體在體育鍛煉和休息狀態(tài)時汗液中痕量水平的多種代謝物和營養(yǎng)物質(zhì)，包括所有必需氨基酸和維生素，通過監(jiān)測代謝物以實現(xiàn)在早期識別異常健康狀況，并促進(jìn)精準(zhǔn)營養(yǎng)物質(zhì)補充等應(yīng)用。該研究成果以“A wearable electrochemical biosensor for the monitoring of metabolites and nutrients”為題發(fā)表于nature biomedical engineering期刊。

圖1 可穿戴生物傳感器“NutriTrek”的示意圖

用于自主汗液感應(yīng)、采樣、分析和校準(zhǔn)的可穿戴系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)對身體的連續(xù)代謝和營養(yǎng)監(jiān)測，研究人員設(shè)計的柔性傳感器貼片包括用于局部按需汗液感應(yīng)的離子電滲模塊、用于高效汗液采樣的多入口微流控模塊、用于連續(xù)氨基酸（AA）分析的多路激光蝕刻石墨烯-分子印跡聚合物（LEG-MIP）汗液營養(yǎng)物質(zhì)傳感器陣列，以及用于實時AA傳感器校準(zhǔn)的基于LEG的溫度和電解質(zhì)傳感器。考慮到運動期間的出汗率會影響某些生物標(biāo)志物水平，研究人員利用汗液中Na?水平（與出汗率呈線性相關(guān)）來進(jìn)一步校準(zhǔn)營養(yǎng)物質(zhì)水平以進(jìn)行個性化分析。這種涉及兩步差分脈沖伏安法（DPV）掃描和溫度/電解質(zhì)校準(zhǔn)的獨特轉(zhuǎn)導(dǎo)策略，使研究人員能夠在傳感器使用期間連續(xù)獲得準(zhǔn)確的汗液讀數(shù)。

圖2 用于自主汗液感應(yīng)、采樣、分析和校準(zhǔn)的可穿戴系統(tǒng)設(shè)計

為了使這種可穿戴技術(shù)可以廣泛適用，特別是可以適用于久坐不動的人，研究人員使用了一種定制設(shè)計的離子電滲療法模塊，該模塊由LEG陽極和陰極以及含有毒蕈堿劑卡巴膽堿的水凝膠組成，用于可持續(xù)的排汗。為了最大限度地提高低容量汗液采樣的效率并提高可穿戴傳感的時間分辨率，研究人員還精心設(shè)計了一個緊湊的柔性微流控模塊，以將汗液采樣區(qū)域與離子電滲凝膠隔離開來，并進(jìn)行數(shù)值模擬以優(yōu)化微流控模塊的幾何設(shè)計，包括關(guān)于儲液區(qū)幾何形狀的入口數(shù)量、角度跨度、方向和流動方向。通過對汗液誘導(dǎo)和采樣的優(yōu)化設(shè)計，可以便捷地在局部誘導(dǎo)汗液，并在長時間內(nèi)使用多入口微流控系統(tǒng)輕松采樣。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在0.15?μl?/min到3?μl?/min的生理出汗率范圍內(nèi)，研究人員的可穿戴傳感器貼片可以提供對AA水平動態(tài)變化的可靠和準(zhǔn)確的分析。

動態(tài)生理和營養(yǎng)監(jiān)測可穿戴系統(tǒng)的評估

首先，研究人員通過在恒定負(fù)荷循環(huán)運動試驗期間感測受試者汗水中的色氨酸（Trp）和酪氨酸（Tyr）進(jìn)行可穿戴系統(tǒng)的評估。來自傳感器的DPV數(shù)據(jù)與溫度和Na?傳感器讀數(shù)一起無線傳輸?shù)揭苿討?yīng)用程序，該應(yīng)用程序使用定制開發(fā)的迭代基線校正算法自動提取氧化峰，并對汗液中的Tyr和Trp進(jìn)行準(zhǔn)確定量。由于血清素合成和支鏈氨基酸（BCAA）攝入，Trp和BCAA水平在運動過程中分別下降，且觀察到汗液Trp與BCAA的比率增加，該結(jié)果與相關(guān)血漿對應(yīng)物的結(jié)果一致，有潛力作為中樞疲勞的指標(biāo)。

圖3 針對延長生理和營養(yǎng)監(jiān)測的活動的可穿戴系統(tǒng)評估

使用無線生物傳感器對代謝綜合征風(fēng)險因素進(jìn)行個性化監(jiān)測

以腹部肥胖和胰島素抵抗為特征的代謝綜合征現(xiàn)在正在上升為發(fā)病和死亡的主要誘因，影響美國超過三分之一的成年人。循環(huán)BCAA水平升高可預(yù)測胰島素抵抗性肥胖和代謝綜合征，并與心血管疾?。–VD）和‖型糖尿?。═2DM）相關(guān)，這可能導(dǎo)致嚴(yán)重的COVID-19潛在并發(fā)癥。最近的研究表明，補充BCAA具有改善胰島素抵抗的潛在用途。監(jiān)測必需營養(yǎng)物質(zhì)水平的變化可提供對代謝綜合征風(fēng)險的高度敏感的早期檢測，從而實現(xiàn)有效的個性化飲食干預(yù)。

為了探索將汗液中BCAA用作代謝綜合征非侵入性風(fēng)險指標(biāo)的可行性，研究人員進(jìn)行了一項初步研究，以調(diào)查血清和汗液BCAA之間的相關(guān)性。研究人員選取了三組受試者：正常體重（I，n?=?10）、超重/肥胖（II，n?=?7）和T2DM肥胖（III，n?=?3）。研究顯示，在肥胖個體中發(fā)現(xiàn)更高的循環(huán)BCAA和T2DM3水平。考慮到BCAA在胰島素產(chǎn)生和抑制糖原分解方面的公認(rèn)作用，研究人員還研究了健康受試者補充BCAA和膳食攝入后汗液中亮氨酸（Leu）/BCAA和血糖/胰島素的餐后反應(yīng)。結(jié)果顯示，所有生物標(biāo)志物在禁食期間保持穩(wěn)定；蛋白質(zhì)飲食攝入導(dǎo)致血糖和胰島素增加，而BCAA攝入僅導(dǎo)致胰島素快速增加。此外，對于具有不同代謝條件的受試者，攝入BCAA后，盡管在所有情況下都觀察到離子電滲汗液中Leu水平顯著增加，但汗液中的Leu水平變化不同，且健康受試者顯示出劇烈的百分比波動，而肥胖/T2DM的個體顯示出遲鈍的波動，這可能表明這些個體中BCAA的不同代謝階段。

圖4 使用LEG-MIP BCAA傳感器對代謝綜合征風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行個性化監(jiān)測

綜上所述，通過整合可大規(guī)模生產(chǎn)的LEG、電化學(xué)合成的氧化還原活性納米載體（RAR）和“人工抗體”，研究人員展示了一種強大的通用可穿戴生物傳感策略，可以實現(xiàn)對廣泛的生物標(biāo)志物（包括所有必需的氨基酸、維生素、代謝物、脂質(zhì)、激素和藥物）監(jiān)測和可靠的原位再生，在代謝綜合征風(fēng)險監(jiān)測中具有很大的應(yīng)用前景。此外，COVID-19陽性和COVID-19陰性血液樣本之間Leu水平的顯著差異表明了使用該技術(shù)進(jìn)行COVID-19即時診斷和干預(yù)的潛力。此外，這種可穿戴技術(shù)可以通過持續(xù)監(jiān)測循環(huán)生物標(biāo)志物和實現(xiàn)個性化營養(yǎng)干預(yù)，在實現(xiàn)精準(zhǔn)營養(yǎng)補充方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。該技術(shù)還可以重新配置，以持續(xù)監(jiān)測各種其他生物標(biāo)志物，以實現(xiàn)廣泛的個性化預(yù)防、診斷和治療應(yīng)用。