前言
藥物濫用障礙（SUD）的興起是一場全球公共衛(wèi)生危機(jī)。事實(shí)上，合成阿片類藥物已經(jīng)導(dǎo)致了一波又一波的過量死亡，盡管有多種治療策略可以擺脫SUD，但復(fù)發(fā)率仍然很高[1]。
可穿戴汗液傳感器可用于直接、連續(xù)地測量出汗率，這或許可以為阿片類藥物和其他物質(zhì)提供非侵入性的藥物監(jiān)測[2]。由機(jī)器學(xué)習(xí)模型提供支持的個(gè)性化數(shù)字生物標(biāo)志物，除了心率和體溫等生理測量外，還包含了對汗液的分析，可以支持SUD患者的健康管理。
出汗率和分子監(jiān)測
當(dāng)身體受到壓力（身體或精神上）或局部汗腺受到化學(xué)物質(zhì)的刺激時(shí)，最大的汗液產(chǎn)生發(fā)生在內(nèi)分泌汗腺（位于整個(gè)身體的表面），而在頂泌腺（腋窩和生殖器區(qū)域）中產(chǎn)生的量要少得多。
目前實(shí)驗(yàn)室采用的汗液分析方法有以下幾種：1. 使用吸水劑或棉制吸水墊收集汗液進(jìn)行區(qū)域定量和分析，這些吸水劑或吸水墊短暫或連續(xù)地涂抹在皮膚上，然后稱重，隨后對液體進(jìn)行提取和分析[3]。2. 對全身進(jìn)行分析，采用沖洗方法，即通過用蒸餾水清洗身體來收集所有汗液[4]。3. 為了量化區(qū)域汗液的產(chǎn)生，可以使用注入干燥空氣的汗液膠囊來捕獲所有汗液[5]，對于汗液含量的局部分析，毛細(xì)管系統(tǒng)可以捕獲汗液并將其輸送到裝有傳感器的儲液器中。
汗液含有蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和藥理學(xué)信息。其中，SUD中許多值得關(guān)注的化合物，特別是阿片類藥物、可卡因、苯丙胺和?9-四氫大麻酚，這些在汗液中很容易檢測到[7]。此外，酒精和其他合法獲得且可能上癮的物質(zhì)也會排到汗液中[8]，因此能夠監(jiān)測汗液中的許多生物標(biāo)志物（如應(yīng)激激素皮質(zhì)醇和細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-6、白細(xì)胞介素-10和腫瘤壞死因子α[9]）。一個(gè)人的心理神經(jīng)免疫狀態(tài)由他們的中樞神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的相互作用產(chǎn)生。這在分子水平上變得可連續(xù)評估，并可用于估計(jì)人的壓力水平。因此，汗液作為SUDs患者應(yīng)激和藥物代謝物分子監(jiān)測的基質(zhì)具有很大的前景。
可穿戴傳感器
可穿戴汗液傳感器可以監(jiān)測出汗率和廣泛的分子分析物[10]。這些系統(tǒng)集成了小型離子電滲療法模塊，可以在日?；顒又邪葱?、穩(wěn)定和自動地誘導(dǎo)汗液[11]，以及用于汗液取樣和分泌汗液的原位分析的微流體裝置。這些微流體裝置具有高時(shí)間分辨率和最小蒸發(fā)的特點(diǎn)。
圖1 可穿戴汗液傳感器示意圖
可穿戴汗率傳感器最常見的原理是依靠放置在微流體通道內(nèi)的指間電極。電極會隨著汗水流過電極而改變阻抗[12]（汗液的介電強(qiáng)度高于空氣）。這種方法雖然簡單，但受到設(shè)備可以收集的總體積的限制。一旦汗液采樣微通道被填滿，汗液率監(jiān)測的有效性就會停止。另一種方法是使用一對垂直安裝的電極連接到汗液采樣微流體的出口，以檢測電極之間空間內(nèi)汗滴產(chǎn)生的頻率，從而提供汗液速率的間接測量[13]。然后，可以通過熱致動器和一對熱敏電阻測量上游和下游溫度之間的差異來計(jì)算流速[14]。
各種可穿戴的電化學(xué)和光學(xué)傳感器主要依靠酶和離子載體，可用于監(jiān)測汗液中的代謝物、離子、營養(yǎng)物質(zhì)、激素、蛋白質(zhì)以及許多物質(zhì)和藥物在微摩爾到毫摩爾的范圍內(nèi)。越來越多的努力致力于開發(fā)可穿戴傳感器，這些傳感器利用生物親和受體（特別是抗體、適配體和分子印跡聚合物）與納米材料（如激光雕刻的石墨烯和金納米顆粒）相結(jié)合，能夠在超低水平上檢測汗液中臨床相關(guān)的生物標(biāo)志物（特別是營養(yǎng)物質(zhì)和 C 反應(yīng)蛋白）[15]。
傳感器和生命體征傳感器在可穿戴設(shè)備中的集成為個(gè)性化醫(yī)療開辟了更多的可能性。例如，通過將汗液傳感器與心率傳感器和血壓傳感器組合到一個(gè)可穿戴系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了多模式心臟代謝監(jiān)測。這種可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)可以生成大量的生理數(shù)據(jù)，需要使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型來識別數(shù)據(jù)集中的模式和關(guān)系，可能有助于理解健康狀況并促進(jìn)發(fā)現(xiàn)新的健康或疾病生物標(biāo)志物。
實(shí)現(xiàn)
藥物激動劑治療和認(rèn)知行為療法可用于支持患者戒斷 SUD。戒斷期間的渴望是復(fù)發(fā)的主要驅(qū)動力。由于出汗率增加是渴望期間常見的生理反應(yīng)，因此出汗率是一種有用的生物標(biāo)志物，用于監(jiān)測 SUD 的戒斷，從而識別觸發(fā)因素。
圖 2 觸發(fā)因素引起渴望癥狀和痛苦（橙色箭頭），以及隨后攝入成癮物質(zhì)（例如阿片類藥物）的強(qiáng)烈愿望。當(dāng)該物質(zhì)不可用時(shí)，強(qiáng)烈的生理喚醒會導(dǎo)致出汗增加。一種皮膚貼片可以局部監(jiān)測出汗率和藥物及其代謝物的濃度，并將信息發(fā)送到連接的設(shè)備（黑色箭頭），這將允許實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和解釋。將該設(shè)備與數(shù)字健康應(yīng)用程序和數(shù)字療法相結(jié)合，將允許更好地直接支持患者，例如，通過認(rèn)知行為干預(yù)來緩解壓力（綠色箭頭），防止觸發(fā)事件（綠色抑制劑）并幫助識別不可預(yù)見的觸發(fā)因素（紫色箭頭）?？纱┐骱挂悍治鰧⒛軌蝾l繁地測量生理狀態(tài)，識別觸發(fā)因素和提供支持，以及提供有關(guān)一天、一周和一個(gè)月期間渴望的一般體驗(yàn)的信息.對生理狀態(tài)和汗液中藥物及其代謝物濃度的測量可能只需要每天進(jìn)行一次，縱向數(shù)據(jù)將允許確定可穿戴設(shè)備是否可以有效地用于檢測觸發(fā)因素并限制渴望以更好地管理SUD。
汗液的分子監(jiān)測可能對 SUD 的一般管理有進(jìn)一步的希望。在藥物激動劑治療期間，可以無創(chuàng)地、每天和獨(dú)立于任何醫(yī)療機(jī)構(gòu)監(jiān)測藥物濃度。在機(jī)器學(xué)習(xí)算法的幫助下，基于預(yù)定義的低濃度和上限濃度邊際的自動傳感器數(shù)據(jù)解釋可以通過“物質(zhì)計(jì)”顯示汗液中關(guān)注物質(zhì)的濃度。這可能有助于防止藥物劑量不當(dāng)（以及隨后的渴望發(fā)作的風(fēng)險(xiǎn)），并確定進(jìn)一步（想要的或不需要的）物質(zhì)的攝入量。此外，監(jiān)測皮質(zhì)醇和細(xì)胞因子等應(yīng)激標(biāo)志物可以深入了解個(gè)體的日常心理神經(jīng)免疫狀態(tài)，從而支持對個(gè)體一般壓力水平的監(jiān)測和評估。
將可穿戴傳感器與應(yīng)用程序和便攜式設(shè)備交叉連接的能力將允許實(shí)施數(shù)字療法和管理工具，以便在日常生活中為患者提供個(gè)性化支持。這種自動化、連續(xù)和個(gè)性化的患者管理系統(tǒng)可以帶來幾個(gè)有利的結(jié)果：基于半閉環(huán)方法中測量的汗液濃度的藥物激動劑治療劑量方案可以逐日調(diào)整;如果檢測到或識別出觸發(fā)因素和/或渴望，應(yīng)用程序可以方便地支持患者管理危險(xiǎn)情況和復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)生活環(huán)境;促進(jìn)放松的應(yīng)用可以幫助減輕日常壓力和壓力;可以建立數(shù)字認(rèn)知行為療法，使患者能夠應(yīng)對生活中 SUD 戒斷的挑戰(zhàn);可以實(shí)施數(shù)字化指導(dǎo)，在緊急情況下提供支持。
展望
由于傳感器穩(wěn)定性不足，人際差異，以及汗液與血液中生物標(biāo)志物濃度之間的相關(guān)性較差，對汗液中物質(zhì)和代謝物的連續(xù)監(jiān)測受到了阻礙。理想情況下，用于SUD的可穿戴傳感器應(yīng)包括出汗率傳感器和一系列分子傳感器，用于檢測多種生物標(biāo)志物并進(jìn)行個(gè)性化校準(zhǔn)。這些傳感器應(yīng)與其他傳感器集成，以同時(shí)監(jiān)測心率、血壓和皮膚電導(dǎo)率，并與機(jī)器學(xué)習(xí)模型結(jié)合，進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析。然而，目前尚未開發(fā)出滿足所有這些標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。
為此，各種利益相關(guān)方，包括患者、醫(yī)護(hù)人員、政策制定者、開發(fā)人員、醫(yī)療保健專業(yè)人員、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、支付方和公共衛(wèi)生官員，都應(yīng)參與醫(yī)療器械的開發(fā)過程，從設(shè)備設(shè)計(jì)到驗(yàn)證再到患者使用的評估。設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)以患者為中心，并考慮醫(yī)療保健方面的因素，特別是減少患者獲得支持的時(shí)間，以及可用于支持服務(wù)的資源，以解決弱勢群體的根本問題。最終，這種設(shè)備在患者離開治療機(jī)構(gòu)后應(yīng)起到患者的“口袋顧問”作用，提供個(gè)性化支持和指導(dǎo)。
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來源 | nature biotechnology
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