用于汗液中生殖激素检测的可穿戴适配体生物传感器
2023-12-09 21:15:32   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

这种指环状器件融合了纳米电子学和折叠RNA，无需进行侵入性血液检测即可追踪人体内的激素水平。

这种可以像戒指一样戴在手指上的无线传感器可以检测人体汗液中的激素水平

据麦姆斯咨询报道，近期，研究人员设计了一种指环状可穿戴生物传感器，用于监测人体汗液中的雌二醇激素。与传统追踪生育能力和女性健康的方法相比，这项技术具有快速、无创的优势。相关研究成果以“A wearable aptamer nanobiosensor for non-invasive female hormone monitoring”为题发表在Nature Nanotechnology期刊上。

这种一次性生物传感器结合了微流控技术和新兴的电极技术（电极表面修饰了被称为适配体的分子识别元件），可以实时检测激素水平，满足了人们日益增长的个性化医疗服务需求。

“这项研究很有价值，研究人员开发的生物传感器可以无创监测人体汗液中的激素水平，这一研究成果令人兴奋。”来自澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT University），负责开发用于医疗保健的传感器和可穿戴技术的工程师Madhu Bhaskaran说，“开发出一种寿命很长，长期保存后仍然具有足够高的灵敏度，并且可以居家使用的诊断方法是一项真正的挑战。”

以前，需要监测激素水平的人必须前往诊所进行血液检测，或者将在家收集的血液样本送到实验室。但是这些检测方式往往是侵入性的、耗时的，尽管一些居家检测可以使用尿液作为检测样本，但其检测结果往往不太精确。血液检测仍然是金标准，但研究人员对其它体液及其包含的健康信息越来越感兴趣。

“例如，我们知道，我们的汗液中存在临床相关的生物标志物，但其浓度极低。”来自美国帕萨迪纳加州理工学院（California Institute of Technology）的生物医学工程师、该研究的合著者Wei Gao说。到目前为止，还没有专门用于汗液中的生殖激素检测的传感器或可穿戴器件被开发出来。目前，研究的重点是雌二醇，其在生育和妇女健康方面发挥着关键作用，而这两个领域的研究经费仍然严重不足，尽管“人们强烈需要能够提供更多关于月经和生育状况信息的技术”，Wei Gao说。

化学抗体

虽然大多数生物传感器使用抗体或酶来靶向蛋白质，但Wei Gao等开发的生物传感器依赖于适配体——这是被设计成折叠形式以便其能够与包括小分子和毒素等在内的靶标相结合的单链DNA/RNA短片段。虽然有时被称为化学抗体，但是适配体比大多数抗体要小得多，其可以通过体外化学合成获得，而不能直接从实验室动物体内获得。研究人员先前已经设计出核酸适配体来识别皮质醇、血清素、咖啡因，甚至某些类型的癌症。

为了制造雌二醇传感器，研究人员设计了两层材料来协同工作——一层是修饰了雌二醇识别适配体的界面，另一层是覆盖在MXene材料（这种材料可以进一步增强微弱的电信号）上的金纳米颗粒电极。适配体中预先装载了用亚甲基蓝（用于电化学探针的一种染料）标记的单链DNA。

当戴在手指上时，这种生物传感器会产生一个小电流来刺激汗液分泌，然后将汗液吸入一个微型储液室中。当储液室中充满汗液时，适配体与亚甲基蓝标记的DNA链分离，并与雌二醇结合。随后，这些DNA链可以自由地在传感器的两层材料之间移动，并与电极上的DNA互补链结合，在电极上，亚甲基蓝的含量被转换为最终的测量结果。在使用人工汗液进行的实验中，这种传感器可以在10分钟内检测到浓度低至140 nM的雌二醇，其检测限接近人类汗液中雌二醇含量的下限。

这种指环状可穿戴生物传感器还集成了追踪皮肤温度、pH值和汗液中盐分浓度等功能，从而使其可以实时校准激素检测结果，并将结果在智能手机上显示出来。

强相关性

Wei Gao和同事们首先利用人工汗液对这种生物传感器的性能进行了测试，然后将其用于五位女性的月经周期追踪，并同时对其中两名女性的血液样本进行了检测，以将其检测结果与汗液检测结果进行对比。研究人员发现，利用两种检测样本获得的检测结果呈现同步上升和下降的趋势，并且其波动都符合预期的模式——雌二醇的浓度通常在月经周期开始时增加，在排卵前达到峰值；卵子排出后，会出现一个较小的次峰。

Madhu Bhaskaran说：“汗液检测结果与血清检测结果的相关性使得这种可穿戴生物传感器非常有应用前景。然而，用于汗液检测的样本量通常很小，因此确保这项技术在人体的不同条件下都能发挥作用真的很重要。”

虽然，研究小组开发这种指环状生物传感器是为了追踪女性月经周期，但雌二醇也参与调节性欲、勃起功能和精子发生。Wei Gao表示，这种生物传感器对接受激素治疗的人也很有用。

经过合理的设计，适配体几乎可以靶向任何检测目标。Wei Gao的目标是开发能够同时连续追踪包括促卵泡激素、促黄体生成素、促性腺激素释放激素和黄体酮在内的多种激素的生物传感器。他目前正在致力于将一种基于汗液的生物传感器商业化。

美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校（University of California，Santa Barbara）的生物工程师Kevin Plaxco说，尽管适配体的设计已经取得了长足的进步，但其还没有达到可以与自然界相匹敌的造诣。DNA和RNA带负电，因此研究人员很难将它们与同样带强负电荷的靶标（例如氟离子）结合。然而，科研人员已经在细菌和古细菌中发现了可以与氟离子结合的适配体，它是被称为“核糖开关”的基因控制结构的一部分。

当与小分子（红色）结合时会改变其基因表达的RNA核糖开关的结构

氟离子“是最难制造相应适配体的物质，但有一种核糖体开关能够以极好的特异性和亲和力结合氟离子。”Kevin Plaxco说，“其存在的事实告诉我，当我们的技术足够成熟时，就有可能制造出令人难以置信的适配体。”

原文链接：https://doi.org/10.1038/d41586-023-03812-x

延伸阅读：

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

《可穿戴技术及市场-2023版》