11月30日，Amanda Heidt 在《Nature》的科技專欄發(fā)文，介紹了加州理工學(xué)院使用指環(huán)形可穿戴生物傳感器實(shí)現(xiàn)對人汗液中的激素水平檢測的研究成果。該環(huán)狀裝置混合了納米電子學(xué)和折疊的RNA，無需進(jìn)行侵入性血液檢查即可跟蹤激素水平。
作為戒指佩戴的無線傳感器可以檢測人汗液中的激素水平。/圖片來源：加州理工學(xué)院
Nature | Technology Feature
研究人員設(shè)計了一種可穿戴的指環(huán)形生物傳感器，用于監(jiān)測人體汗液中的雌二醇激素。該技術(shù)使得追蹤生育能力和女性健康的方法能夠向非侵入式、便捷化、即時檢測發(fā)展。
9 月 28 日發(fā)表在《Nature Nanotechnology》上的一項(xiàng)研究描述了這種一次性傳感器，它將微流體和新興電極技術(shù)與一組稱為核酸適配體的分子結(jié)合起來，實(shí)時測量激素水平，滿足了對個性化健康技術(shù)日益增長的需求護(hù)理交到患者手中[1]。
“這篇論文做得非常出色，他們能夠通過汗液非侵入性地監(jiān)測這種激素，這一事實(shí)令人興奮，”來自澳大利亞墨爾本皇家墨爾本理工大學(xué)的開發(fā)醫(yī)療保健傳感器和可穿戴技術(shù)的工程師 Madhu Bhaskaran 說。“你正在嘗試制作一種具有較長保質(zhì)期但仍然足夠靈敏并且可以在家中使用的診斷方法，這是一個真正的挑戰(zhàn)。”
以前，需要監(jiān)測激素水平的人必須前往診所進(jìn)行血液檢查或?qū)⒃诩沂占臉颖舅偷綄?shí)驗(yàn)室。但這些選擇往往具有侵入性且耗時，盡管一些家庭測試使用尿液，但其結(jié)果不太精確。血液仍然是黃金標(biāo)準(zhǔn)，但研究人員對其他液體及其包含的健康信息越來越感興趣。
“例如，我們知道，我們的汗液中存在臨床相關(guān)的生物標(biāo)志物，但濃度極低，”加州理工學(xué)院的生物醫(yī)學(xué)工程師、該研究的共同作者 Wei Gao 如是說。到目前為止，還沒有開發(fā)出專門針對汗液中生殖激素的傳感器或可穿戴設(shè)備。他說，雌二醇是當(dāng)前工作的重點(diǎn)，在生育和婦女健康方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，盡管“對為人們提供更多有關(guān)月經(jīng)和生育狀況信息的技術(shù)的強(qiáng)烈需求”，但這些研究領(lǐng)域的資金仍然嚴(yán)重不足。
化學(xué)抗體
大多數(shù)生物傳感器使用抗體或酶來靶向蛋白質(zhì)，而 Gao 的生物傳感器則依賴于核酸適配體——單鏈DNA或RNA的短片段，旨在折疊，以便與小分子到毒素等目標(biāo)結(jié)合。盡管核酸適配體有時被稱為化學(xué)抗體，但它比大多數(shù)抗體小得多，并且可以化學(xué)合成，而不是在實(shí)驗(yàn)動物中合成。研究人員此前已設(shè)計出適配體來識別皮質(zhì)醇[2]、血清素[3]、咖啡因[4]，甚至某些類型的癌癥[5]。
為了制造雌二醇傳感器，研究人員設(shè)計了兩層協(xié)同工作的材料——一個界面上植入了雌二醇識別核酸適配體，另一個金納米顆粒電極覆蓋著一種名為 MXene 的材料，可進(jìn)一步增強(qiáng)微弱的電信號。適配體預(yù)載有亞甲基藍(lán)標(biāo)記的單鏈 DNA，亞甲基藍(lán)是一種在這種情況下充當(dāng)電化學(xué)探針的染料。
RNA 核糖開關(guān)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)它與小分子（紅色）結(jié)合時，會改變基因的表達(dá)。/圖片來源：Carlos Clarivan/Science Photo Library
當(dāng)放置在手指上時，生物傳感器會產(chǎn)生小電流來啟動汗水產(chǎn)生，然后將液體吸入一個微小的儲液器中。當(dāng)汗液充滿腔室時，適體將亞甲基藍(lán)標(biāo)記的 DNA 鏈交換為雌二醇。然后，這些 DNA 鏈可以在各層之間自由移動，并與電極上的互補(bǔ)鏈結(jié)合，其中亞甲基藍(lán)水平被轉(zhuǎn)化為最終測量結(jié)果。在使用人工汗液的實(shí)驗(yàn)中，傳感器可以在短短 10 分鐘內(nèi)檢測到濃度低至 140 納摩爾的雌二醇，接近人體汗液中通常存在的濃度下限。
該戒指還集成了跟蹤皮膚溫度、pH 值和汗液鹽濃度的傳感器，以便它可以實(shí)時校準(zhǔn)激素測量結(jié)果并將其顯示在手機(jī)上。
結(jié)果強(qiáng)相關(guān)
Gao 和他的同事測試了傳感器在合成汗液上的性能，然后將其提供給五名女性來跟蹤她們的月經(jīng)周期。其中兩名女性同時進(jìn)行了血液檢查，以與汗液結(jié)果進(jìn)行比較。研究人員發(fā)現(xiàn)，這兩種樣本類型同步上升和下降，并且都符合預(yù)期模式——雌二醇通常在周期開始時增加，并在排卵前達(dá)到峰值。卵子排出后會出現(xiàn)較小的二次峰值。
“他們發(fā)現(xiàn)血清和汗液之間的相關(guān)性確實(shí)很有希望”， Bhaskaran 說。然而她補(bǔ)充說，樣本量很小，因此確保該技術(shù)“在人體的不同條件下保持不變非常重要”。
盡管該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了這種戒指來跟蹤月經(jīng)周期，但雌二醇也參與調(diào)節(jié)性欲、勃起功能和精子發(fā)生，Gao 稱該傳感器也對接受激素治療的人有用。
可以想象，適配體可以被設(shè)計為針對幾乎任何東西，Gao 的目標(biāo)是開發(fā)能夠同時連續(xù)跟蹤多種激素的傳感器，包括卵泡刺激素、黃體生成素、促性腺激素釋放激素和黃體酮。他現(xiàn)在正致力于將一套基于汗液的生物傳感器商業(yè)化。
加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的生物工程師 Kevin Plaxco 表示，盡管適配體設(shè)計已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但它還沒有達(dá)到與自然相同的水平。DNA 和 RNA 帶負(fù)電，因此研究人員很難將它們與也具有強(qiáng)烈負(fù)電變化的目標(biāo)（例如氟離子）結(jié)合。然而，氟化物結(jié)合適體已在細(xì)菌和古細(xì)菌中被發(fā)現(xiàn)，作為稱為核糖開關(guān)的基因控制結(jié)構(gòu)的一部分。
Plaxco 說，氟化物“肯定是最難制造適配體的物質(zhì)，但有一種核糖開關(guān)可以以優(yōu)異的特異性和親和力結(jié)合氟化物”。“它存在的事實(shí)告訴我，當(dāng)我們足夠復(fù)雜時，就有可能制造出令人難以置信的適配體。”
