11月30日，Amanda Heidt 在《Nature》的科技專欄發(fā)文，介紹了加州理工學院使用指環(huán)形可穿戴生物傳感器實現(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和折疊的RNA，無需進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：加州理工學院
Nature | Technology Feature
研究人員設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與一組稱為核酸適配體的分子結合起來，實時測量激素水平，滿足了對個性化健康技術日益增長的需求護理交到患者手中[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，這一事實令人興奮，”來自澳大利亞墨爾本皇家墨爾本理工大學的開發(fā)醫(yī)療保健傳感器和可穿戴技術的工程師 Madhu Bhaskaran 說。“你正在嘗試制作一種具有較長保質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行血液檢查或將在家收集的樣本送到實驗室。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，但其結果不太精確。血液仍然是黃金標準，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的生物標志物，但濃度極低，”加州理工學院的生物醫(yī)學工程師、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備。他說，雌二醇是當前工作的重點，在生育和婦女健康方面發(fā)揮著關鍵作用，盡管“對為人們提供更多有關月經和生育狀況信息的技術的強烈需求”，但這些研究領域的資金仍然嚴重不足。
化學抗體
大多數生物傳感器使用抗體或酶來靶向蛋白質，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結合。盡管核酸適配體有時被稱為化學抗體，但它比大多數抗體小得多，并且可以化學合成，而不是在實驗動物中合成。研究人員此前已設計出適配體來識別皮質醇[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，可進一步增強微弱的電信號。適配體預載有亞甲基藍標記的單鏈 DNA，亞甲基藍是一種在這種情況下充當電化學探針的染料。
RNA 核糖開關的結構，當它與小分子（紅色）結合時，會改變基因的表達。/圖片來源：Carlos Clarivan/Science Photo Library
當放置在手指上時，生物傳感器會產生小電流來啟動汗水產生，然后將液體吸入一個微小的儲液器中。當汗液充滿腔室時，適體將亞甲基藍標記的 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，并與電極上的互補鏈結合，其中亞甲基藍水平被轉化為最終測量結果。在使用人工汗液的實驗中，傳感器可以在短短 10 分鐘內檢測到濃度低至 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，以便它可以實時校準激素測量結果并將其顯示在手機上。
結果強相關
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周期。其中兩名女性同時進行了血液檢查，以與汗液結果進行比較。研究人員發(fā)現(xiàn)，這兩種樣本類型同步上升和下降，并且都符合預期模式——雌二醇通常在周期開始時增加，并在排卵前達到峰值。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性確實很有希望”， Bhaskaran 說。然而她補充說，樣本量很小，因此確保該技術“在人體的不同條件下保持不變非常重要”。
盡管該團隊開發(fā)了這種戒指來跟蹤月經周期，但雌二醇也參與調節(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，適配體可以被設計為針對幾乎任何東西，Gao 的目標是開發(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。
加州大學圣塔芭芭拉分校的生物工程師 Kevin Plaxco 表示，盡管適配體設計已經取得了長足的進步，但它還沒有達到與自然相同的水平。DNA 和 RNA 帶負電，因此研究人員很難將它們與也具有強烈負電變化的目標（例如氟離子）結合。然而，氟化物結合適體已在細菌和古細菌中被發(fā)現(xiàn)，作為稱為核糖開關的基因控制結構的一部分。
Plaxco 說，氟化物“肯定是最難制造適配體的物質，但有一種核糖開關可以以優(yōu)異的特異性和親和力結合氟化物”。“它存在的事實告訴我，當我們足夠復雜時，就有可能制造出令人難以置信的適配體。”
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