加州理工學(xué)院：研究一種無創(chuàng)監(jiān)測(cè)女性激素的可穿戴生物傳感器

一、摘要

女性激素（尤其是雌二醇）的個(gè)性化監(jiān)測(cè)在生育和女性健康領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，現(xiàn)有的方法通常需要侵入性血液抽取和/或大型分析實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，難以在家中實(shí)施。在此，作者報(bào)告了一種基于靶標(biāo)物誘導(dǎo)鏈置換反應(yīng)的可穿戴適配體納米生物傳感器，通過原位汗液分析實(shí)現(xiàn)雌二醇的自動(dòng)和非侵入式監(jiān)測(cè)。該無試劑、無擴(kuò)增的“信號(hào)開啟”檢測(cè)方法結(jié)合基于金納米粒子-MXene的檢測(cè)電極，提供了優(yōu)異的靈敏度，檢測(cè)限低至0.14pM。該完全集成系統(tǒng)能夠在人靜息狀態(tài)下通過離子電泳自主誘導(dǎo)汗液，利用毛細(xì)管破裂閥精確控制微流體汗液采樣，同時(shí)收集的多變量信息（即溫度、pH值和離子強(qiáng)度）進(jìn)行實(shí)時(shí)分析校準(zhǔn)雌二醇含量，最后使用移動(dòng)終端（智能手機(jī)）進(jìn)行無線通信和信號(hào)處理。作者在受試者中驗(yàn)證了該技術(shù)，數(shù)據(jù)表明，在月經(jīng)周期中汗液雌二醇存在周期性波動(dòng)，并且汗液與血液雌二醇之間存在高度相關(guān)性。作者的研究為可穿戴傳感器在非侵入式個(gè)性化生殖激素監(jiān)測(cè)方面開辟了潛力。

二、背景介紹

女性激素影響著女性健康的多個(gè)方面，從月經(jīng)到懷孕再到更年期及其他（例如，抑郁癥）。雌二醇是女性激素雌激素的主要形式，也是生殖年中最有效、最普遍的雌性激素。在月經(jīng)周期中，雌二醇對(duì)下丘腦-垂體-卵巢軸提供反饋，以調(diào)節(jié)黃體生成素的產(chǎn)生和排卵（見圖1a）。除了在性發(fā)育中的核心作用外，無論是在男性還是女性中雌二醇還顯著影響主要器官，包括血管、骨骼、肌肉和大腦。因此，雌二醇監(jiān)測(cè)在人體生物學(xué)中具有重要意義，是不孕癥管理以及一般生理監(jiān)測(cè)的一個(gè)基本組成部分。與基于基礎(chǔ)體溫計(jì)或尿液促性腺激素的其他替代生育監(jiān)測(cè)方法相比，血清雌二醇提供了最及時(shí)和準(zhǔn)確的信息。此外，血清雌二醇分析是監(jiān)測(cè)促性腺激素誘導(dǎo)排卵的金標(biāo)準(zhǔn)；常規(guī)雌二醇監(jiān)測(cè)對(duì)更年期女性和接受激素替代治療的個(gè)體具有至關(guān)重要的作用。

女性激素的定量測(cè)量通過質(zhì)譜和免疫測(cè)定法獲得，這些方法需要大型設(shè)備，并且在常規(guī)臨床使用中具有低檢測(cè)通量。定量測(cè)定月經(jīng)周期中皮質(zhì)醇的pM水平似乎是識(shí)別不孕癥的一個(gè)關(guān)鍵且具有挑戰(zhàn)性的問題（圖1a）。此外，這些方法通?；谇秩胄匝撼槿『蛷?fù)雜的樣本準(zhǔn)備，使其在家庭遠(yuǎn)程使用中不切實(shí)際。盡管市面上有基于指尖血滴、唾液或24小時(shí)尿液的“家庭”雌激素測(cè)試工具，但這些工具都要求收集的樣本送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行漫長(zhǎng)的分析。因此，迫切需要在非侵入性可獲取的生物液體中進(jìn)行高靈敏度和高準(zhǔn)確度的雌激素水平現(xiàn)場(chǎng)定量，以確保個(gè)體層面的最佳醫(yī)療決策。

人類汗液中含有豐富的分子信息，反映個(gè)體的健康狀態(tài)。由傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室分析向可穿戴汗液分析的轉(zhuǎn)變，可能實(shí)現(xiàn)非侵入性和遠(yuǎn)程的女性激素監(jiān)測(cè)。由于女性激素在汗液中的濃度極低（picomolar水平）以及汗液的可獲取性和樣本基質(zhì)的變化，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)汗液中的女性激素面臨挑戰(zhàn)，因此尚未實(shí)現(xiàn)。在這項(xiàng)工作中，作者引入了一種基于目標(biāo)誘導(dǎo)鏈置換適體開關(guān)的無線可穿戴傳感器，用于以subpicomolar靈敏度對(duì)雌性激素進(jìn)行原位自動(dòng)電化學(xué)監(jiān)測(cè)（圖1b）

三、內(nèi)容詳解

在此工作中，團(tuán)隊(duì)基于靶標(biāo)誘導(dǎo)鏈置換適體開關(guān)原理設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了無線、微流控可穿戴傳感平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了汗液中痕量（pM）雌二醇的原位動(dòng)態(tài)分析（圖1.）。通過實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)女性生理周期過程中，血液及汗液雌二醇水平的變化，首次發(fā)現(xiàn)了月經(jīng)周期期間汗液雌二醇的周期性波動(dòng)，驗(yàn)證了汗液和血液雌二醇之間的高度相關(guān)性，為女性荷爾蒙無創(chuàng)監(jiān)測(cè)及健康管理提供了借鑒。

圖2 無試劑無需信號(hào)放大的適配體雌二醇傳感器設(shè)計(jì)與表征。

通過在電極系統(tǒng)中引入離子電滲方法實(shí)現(xiàn)了在無運(yùn)動(dòng)情況下自主排汗，設(shè)計(jì)了毛細(xì)管爆破閥微流控系統(tǒng)對(duì)汗液采樣過程進(jìn)行精準(zhǔn)控制?？紤]到個(gè)體差異以及汗液pH、離子強(qiáng)度、體表溫度等對(duì)雌二醇傳感信號(hào)的影響，在電極系統(tǒng)中引入了pH傳感器、離子強(qiáng)度傳感器及溫度傳感器對(duì)電極信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)。最終將傳感電極系統(tǒng)與自主設(shè)計(jì)的柔性印刷電路板結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在靜態(tài)汗液基質(zhì)中高度穩(wěn)定的雌二醇分析（圖3）。

圖3 微流控可穿戴系統(tǒng)集成用于自動(dòng)原位激素分析。

圖4 可穿戴傳感器在人類受試者中進(jìn)行無創(chuàng)女性激素監(jiān)測(cè)的評(píng)估。

四、全文總結(jié)

本研究展示了一種高靈敏度的適配體納米生物傳感器，能夠在汗液中進(jìn)行超靈敏且無試劑的可穿戴女性激素雌二醇分析。AuNPs–MXene導(dǎo)電支架通過增強(qiáng)工作電極的電活性表面積和電荷轉(zhuǎn)移效率，提高了信號(hào)傳導(dǎo)能力。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的體內(nèi)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了一種完全集成的無線可穿戴系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了離子滲透水凝膠用于局部汗液刺激，微流體技術(shù)用于汗液收集，以及功能化傳感器用于雌二醇的檢測(cè)和校準(zhǔn)。作者發(fā)現(xiàn)汗液和血清雌二醇水平之間存在直接相關(guān)性，并且在月經(jīng)周期中汗液雌二醇水平呈現(xiàn)明顯的周期性波動(dòng)趨勢(shì)。因此，該設(shè)備能夠方便地在家中進(jìn)行生殖激素監(jiān)測(cè)，并且可以重新配置以監(jiān)測(cè)其他微量生物標(biāo)志物，適用于多種個(gè)性化醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

五、文獻(xiàn)信息

Ye, C., Wang, M., Min, J.et al.A wearable aptamer nanobiosensor for non-invasive female hormone monitoring.Nat. Nanotechnol.19, 330–337 (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01513-0

審核編輯 黃宇