一種用于汗液中生殖激素檢測的可穿戴適配體生物傳感器

這種指環(huán)狀器件融合了納米電子學(xué)和折疊RNA，無需進(jìn)行侵入性血液檢測即可追蹤人體內(nèi)的激素水平。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，研究人員設(shè)計了一種指環(huán)狀可穿戴生物傳感器，用于監(jiān)測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，這項技術(shù)具有快速、無創(chuàng)的優(yōu)勢。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。

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別元件），可以實(shí)時檢測激素水平，滿足了人們?nèi)找嬖鲩L的個性化醫(yī)療服務(wù)需求。

“這項研究很有價值，研究人員開發(fā)的生物傳感器可以無創(chuàng)監(jiān)測人體汗液中的激素水平，這一研究成果令人興奮。”來自澳大利亞皇家墨爾本理工大學(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真正的挑戰(zhàn)?！?/p>

以前，需要監(jiān)測激素水平的人必須前往診所進(jìn)行血液檢測，或者將在家收集的血液樣本送到實(shí)驗室。但是這些檢測方式往往是侵入性的、耗時的，盡管一些居家檢測可以使用尿液作為檢測樣本，但其檢測結(jié)果往往不太精確。血液檢測仍然是金標(biāo)準(zhǔn)，但研究人員對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。

化學(xué)抗體

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)驗室動物體內(nèi)獲得。研究人員先前已經(jīng)設(shè)計出核酸適配體來識別皮質(zhì)醇、血清素、咖啡因，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)計了兩層材料來協(xié)同工作——一層是修飾了雌二醇識別適配體的界面，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）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，這種生物傳感器會產(chǎn)生一個小電流來刺激汗液分泌，然后將汗液吸入一個微型儲液室中。當(dāng)儲液室中充滿汗液時，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，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)換為最終的測量結(jié)果。在使用人工汗液進(jìn)行的實(shí)驗中，這種傳感器可以在10分鐘內(nèi)檢測到濃度低至140 nM的雌二醇，其檢測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)時校準(zhǔn)激素檢測結(jié)果，并將結(jié)果在智能手機(jī)上顯示出來。

強(qiáng)相關(guān)性

Wei Gao和同事們首先利用人工汗液對這種生物傳感器的性能進(jìn)行了測試，然后將其用于五位女性的月經(jīng)周期追蹤，并同時對其中兩名女性的血液樣本進(jìn)行了檢測，以將其檢測結(jié)果與汗液檢測結(jié)果進(jìn)行對比。研究人員發(fā)現(xiàn)，利用兩種檢測樣本獲得的檢測結(jié)果呈現(xiàn)同步上升和下降的趨勢，并且其波動都符合預(yù)期的模式——雌二醇的濃度通常在月經(jīng)周期開始時增加，在排卵前達(dá)到峰值；卵子排出后，會出現(xiàn)一個較小的次峰。

Madhu Bhaskaran說：“汗液檢測結(jié)果與血清檢測結(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，用于汗液檢測的樣本量通常很小，因此確保這項技術(shù)在人體的不同條件下都能發(fā)揮作用真的很重要?！?/p>

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)性欲、勃起功能和精子發(fā)生。Wei Gao表示，這種生物傳感器對接受激素治療的人也很有用。

經(jīng)過合理的設(shè)計，適配體幾乎可以靶向任何檢測目標(biāo)。Wei Gao的目標(biāo)是開發(fā)能夠同時連續(xù)追蹤包括促卵泡激素、促黃體生成素、促性腺激素釋放激素和黃體酮在內(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。

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)能夠以極好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，就有可能制造出令人難以置信的適配體。”

審核編輯：劉清