11月30日，Amanda Heidt 在《Nature》的科技专栏发文，介绍了加州理工学院使用指环形可穿戴生物传感器实现对人汗液中的激素水平检测的研究成果。该环状装置混合了纳米电子学和折叠的RNA，无需进行侵入性血液检查即可跟踪激素水平。
作为戒指佩戴的无线传感器可以检测人汗液中的激素水平。/图片来源：加州理工学院
Nature | Technology Feature
研究人员设计了一种可穿戴的指环形生物传感器，用于监测人体汗液中的雌二醇激素。该技术使得追踪生育能力和女性健康的方法能够向非侵入式、便捷化、即时检测发展。
9 月 28 日发表在《Nature Nanotechnology》上的一项研究描述了这种一次性传感器，它将微流体和新兴电极技术与一组称为核酸适配体的分子结合起来，实时测量激素水平，满足了对个性化健康技术日益增长的需求护理交到患者手中[1]。
“这篇论文做得非常出色，他们能够通过汗液非侵入性地监测这种激素，这一事实令人兴奋，”来自澳大利亚墨尔本皇家墨尔本理工大学的开发医疗保健传感器和可穿戴技术的工程师 Madhu Bhaskaran 说。“你正在尝试制作一种具有较长保质期但仍然足够灵敏并且可以在家中使用的诊断方法，这是一个真正的挑战。”
以前，需要监测激素水平的人必须前往诊所进行血液检查或将在家收集的样本送到实验室。但这些选择往往具有侵入性且耗时，尽管一些家庭测试使用尿液，但其结果不太精确。血液仍然是黄金标准，但研究人员对其他液体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，但浓度极低，”加州理工学院的生物医学工程师、该研究的共同作者 Wei Gao 如是说。到目前为止，还没有开发出专门针对汗液中生殖激素的传感器或可穿戴设备。他说，雌二醇是当前工作的重点，在生育和妇女健康方面发挥着关键作用，尽管“对为人们提供更多有关月经和生育状况信息的技术的强烈需求”，但这些研究领域的资金仍然严重不足。
化学抗体
大多数生物传感器使用抗体或酶来靶向蛋白质，而 Gao 的生物传感器则依赖于核酸适配体——单链DNA或RNA的短片段，旨在折叠，以便与小分子到毒素等目标结合。尽管核酸适配体有时被称为化学抗体，但它比大多数抗体小得多，并且可以化学合成，而不是在实验动物中合成。研究人员此前已设计出适配体来识别皮质醇[2]、血清素[3]、咖啡因[4]，甚至某些类型的癌症[5]。
为了制造雌二醇传感器，研究人员设计了两层协同工作的材料——一个界面上植入了雌二醇识别核酸适配体，另一个金纳米颗粒电极覆盖着一种名为 MXene 的材料，可进一步增强微弱的电信号。适配体预载有亚甲基蓝标记的单链 DNA，亚甲基蓝是一种在这种情况下充当电化学探针的染料。
RNA 核糖开关的结构，当它与小分子（红色）结合时，会改变基因的表达。/图片来源：Carlos Clarivan/Science Photo Library
当放置在手指上时，生物传感器会产生小电流来启动汗水产生，然后将液体吸入一个微小的储液器中。当汗液充满腔室时，适体将亚甲基蓝标记的 DNA 链交换为雌二醇。然后，这些 DNA 链可以在各层之间自由移动，并与电极上的互补链结合，其中亚甲基蓝水平被转化为最终测量结果。在使用人工汗液的实验中，传感器可以在短短 10 分钟内检测到浓度低至 140 纳摩尔的雌二醇，接近人体汗液中通常存在的浓度下限。
该戒指还集成了跟踪皮肤温度、pH 值和汗液盐浓度的传感器，以便它可以实时校准激素测量结果并将其显示在手机上。
结果强相关
Gao 和他的同事测试了传感器在合成汗液上的性能，然后将其提供给五名女性来跟踪她们的月经周期。其中两名女性同时进行了血液检查，以与汗液结果进行比较。研究人员发现，这两种样本类型同步上升和下降，并且都符合预期模式——雌二醇通常在周期开始时增加，并在排卵前达到峰值。卵子排出后会出现较小的二次峰值。
“他们发现血清和汗液之间的相关性确实很有希望”， Bhaskaran 说。然而她补充说，样本量很小，因此确保该技术“在人体的不同条件下保持不变非常重要”。
尽管该团队开发了这种戒指来跟踪月经周期，但雌二醇也参与调节性欲、勃起功能和精子发生，Gao 称该传感器也对接受激素治疗的人有用。
可以想象，适配体可以被设计为针对几乎任何东西，Gao 的目标是开发能够同时连续跟踪多种激素的传感器，包括卵泡刺激素、黄体生成素、促性腺激素释放激素和黄体酮。他现在正致力于将一套基于汗液的生物传感器商业化。
加州大学圣塔芭芭拉分校的生物工程师 Kevin Plaxco 表示，尽管适配体设计已经取得了长足的进步，但它还没有达到与自然相同的水平。DNA 和 RNA 带负电，因此研究人员很难将它们与也具有强烈负电变化的目标（例如氟离子）结合。然而，氟化物结合适体已在细菌和古细菌中被发现，作为称为核糖开关的基因控制结构的一部分。
Plaxco 说，氟化物“肯定是最难制造适配体的物质，但有一种核糖开关可以以优异的特异性和亲和力结合氟化物”。“它存在的事实告诉我，当我们足够复杂时，就有可能制造出令人难以置信的适配体。”
