上海維立勝衡傳感器有限公司
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閱讀：92發(fā)布時(shí)間：2025-2-25
據(jù)媒體報(bào)道，近期研究人員設(shè)計(jì)了一種指環(huán)狀可穿戴生物傳感器，用于監(jiān)測(cè)人體汗液中的雌二醇激素。與傳統(tǒng)追蹤生育能力和女性健康的方法相比，這項(xiàng)技術(shù)具有快速、的優(yōu)勢(shì)。這種一次性生物傳感器結(jié)合了微流控技術(shù)和新興的電極技術(shù)（電極表面修飾了被稱為適配體的分子識(shí)別元件），可以實(shí)時(shí)檢測(cè)激素水平，滿足了人們?nèi)找嬖鲩L的個(gè)性化醫(yī)療服務(wù)需求。
“這項(xiàng)研究很有價(jià)值，研究人員開發(fā)的生物傳感器可以監(jiān)測(cè)人體汗液中的激素水平，這一研究成果令人興奮。”來自澳大利亞墨爾本理工大學(xué)（RMIT University），負(fù)責(zé)開發(fā)用于醫(yī)療保健的傳感器和可穿戴技術(shù)的工程師Madhu Bhaskaran說，“開發(fā)出一種壽命很長，長期保存后仍然具有足夠高的靈敏度，并且可以居家使用的診斷方法是一項(xiàng)真正的挑戰(zhàn)。”
以前，需要監(jiān)測(cè)激素水平的人必須前往診所進(jìn)行血液檢測(cè)，或者將在家收集的血液樣本送到實(shí)驗(yàn)室。但是這些檢測(cè)方式往往是侵入性的、耗時(shí)的，盡管一些居家檢測(cè)可以使用尿液作為檢測(cè)樣本，但其檢測(cè)結(jié)果往往不太精確。血液檢測(cè)仍然是金標(biāo)準(zhǔn)，但研究人員對(duì)其它體液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，但其濃度極低。”來自美國帕薩迪納加州理工學(xué)院（California Institute of Technology）的生物醫(yī)學(xué)工程師、該研究的合著者Wei Gao說。到目前為止，還沒有專門用于汗液中的生殖激素檢測(cè)的傳感器或可穿戴器件被開發(fā)出來。目前，研究的重點(diǎn)是雌二醇，其在生育和婦女健康方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而這兩個(gè)領(lǐng)域的研究經(jīng)費(fèi)仍然嚴(yán)重不足，盡管“人們強(qiáng)烈需要能夠提供更多關(guān)于月經(jīng)和生育狀況信息的技術(shù)”，Wei Gao說。
雖然大多數(shù)生物傳感器使用抗體或酶來靶向蛋白質(zhì)，但Wei Gao等開發(fā)的生物傳感器依賴于適配體——這是被設(shè)計(jì)成折疊形式以便其能夠與包括小分子和毒素等在內(nèi)的靶標(biāo)相結(jié)合的單鏈DNA/RNA短片段。雖然有時(shí)被稱為化學(xué)抗體，但是適配體比大多數(shù)抗體要小得多，其可以通過體外化學(xué)合成獲得，而不能直接從實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物體內(nèi)獲得。研究人員先前已經(jīng)設(shè)計(jì)出核酸適配體來識(shí)別、血清素、，甚至某些類型的癌癥。
為了制造雌二醇傳感器，研究人員設(shè)計(jì)了兩層材料來協(xié)同工作——一層是修飾了雌二醇識(shí)別適配體的界面，另一層是覆蓋在MXene材料（這種材料可以進(jìn)一步增強(qiáng)微弱的電信號(hào)）上的金納米顆粒電極。適配體中預(yù)先裝載了用亞甲基藍(lán)（用于電化學(xué)探針的一種染料）標(biāo)記的單鏈DNA。
當(dāng)戴在手指上時(shí)，這種生物傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小電流來刺激汗液分泌，然后將汗液吸入一個(gè)微型儲(chǔ)液室中。當(dāng)儲(chǔ)液室中充滿汗液時(shí)，適配體與亞甲基藍(lán)標(biāo)記的DNA鏈分離，并與雌二醇結(jié)合。隨后，這些DNA鏈可以自由地在傳感器的兩層材料之間移動(dòng)，并與電極上的DNA互補(bǔ)鏈結(jié)合，在電極上，亞甲基藍(lán)的含量被轉(zhuǎn)換為最終的測(cè)量結(jié)果。在使用人工汗液進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，這種傳感器可以在10分鐘內(nèi)檢測(cè)到濃度低至140 nM的雌二醇，其檢測(cè)限接近人類汗液中雌二醇含量的下限。
這種指環(huán)狀可穿戴生物傳感器還集成了追蹤皮膚溫度、pH值和汗液中鹽分濃度等功能，從而使其可以實(shí)時(shí)校準(zhǔn)激素檢測(cè)結(jié)果，并將結(jié)果在智能手機(jī)上顯示出來。
Wei Gao和同事們首先利用人工汗液對(duì)這種生物傳感器的性能進(jìn)行了測(cè)試，然后將其用于五位女性的月經(jīng)周期追蹤，并同時(shí)對(duì)其中兩名女性的血液樣本進(jìn)行了檢測(cè)，以將其檢測(cè)結(jié)果與汗液檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。研究人員發(fā)現(xiàn)，利用兩種檢測(cè)樣本獲得的檢測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)同步上升和下降的趨勢(shì)，并且其波動(dòng)都符合預(yù)期的模式——雌二醇的濃度通常在月經(jīng)周期開始時(shí)增加，在排卵前達(dá)到峰值；卵子排出后，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較小的次峰。
Madhu Bhaskaran說：“汗液檢測(cè)結(jié)果與血清檢測(cè)結(jié)果的相關(guān)性使得這種可穿戴生物傳感器非常有應(yīng)用前景。然而，用于汗液檢測(cè)的樣本量通常很小，因此確保這項(xiàng)技術(shù)在人體的不同條件下都能發(fā)揮作用真的很重要。”
雖然，研究小組開發(fā)這種指環(huán)狀生物傳感器是為了追蹤女性月經(jīng)周期，但雌二醇也參與調(diào)節(jié)、勃起功能和精子發(fā)生。Wei Gao表示，這種生物傳感器對(duì)接受激素治療的人也很有用。
經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)，適配體幾乎可以靶向任何檢測(cè)目標(biāo)。Wei Gao的目標(biāo)是開發(fā)能夠同時(shí)連續(xù)追蹤包括促卵泡激素、促黃體生成素、釋放激素和在內(nèi)的多種激素的生物傳感器。他目前正在致力于將一種基于汗液的生物傳感器商業(yè)化。
美國加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校（University of California，Santa Barbara）的生物工程師Kevin Plaxco說，盡管適配體的設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但其還沒有達(dá)到可以與自然界相匹敵的造詣。DNA和RNA帶負(fù)電，因此研究人員很難將它們與同樣帶強(qiáng)負(fù)電荷的靶標(biāo)（例如氟離子）結(jié)合。然而，科研人員已經(jīng)在細(xì)菌和古細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了可以與氟離子結(jié)合的適配體，它是被稱為“核糖開關(guān)”的基因控制結(jié)構(gòu)的一部分。
當(dāng)與小分子（紅色）結(jié)合時(shí)會(huì)改變其基因表達(dá)的RNA核糖開關(guān)的結(jié)構(gòu)
氟離子“是最難制造相應(yīng)適配體的物質(zhì)，但有一種核糖體開關(guān)能夠以的特異性和親和力結(jié)合氟離子。”Kevin Plaxco說，“其存在的事實(shí)告訴我，當(dāng)我們的技術(shù)足夠成熟時(shí)，就有可能制造出令人難以置信的適配體。”
相關(guān)研究成果以“A wearable aptamer nanobiosensor for non-invasive female hormone monitoring”為題發(fā)表在Nature Nanotechnology期刊上。論文鏈接https://doi.org/10.1038/d41586-023-03812-x
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