汗液是一種重要的體液，含有大量反映營(yíng)養(yǎng)和代謝狀況的化學(xué)物質(zhì)。從血液分析到可穿戴汗液分析的進(jìn)展可以為無(wú)創(chuàng)、連續(xù)監(jiān)測(cè)對(duì)人類健康至關(guān)重要的生理生物標(biāo)志物提供巨大潛力。然而，目前報(bào)道的可穿戴電化學(xué)傳感器主要關(guān)注有限數(shù)量的分析物，包括電解質(zhì)、葡萄糖和乳酸，因?yàn)槌穗x子選擇性和酶電極或電活性分子的直接氧化之外缺乏合適的連續(xù)監(jiān)測(cè)策略。因此，汗液中大多數(shù)臨床相關(guān)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝物很少可以被現(xiàn)有的可穿戴傳感技術(shù)探索和檢測(cè)到。此外，目前的可穿戴生物傳感器通常需要?jiǎng)×疫\(yùn)動(dòng)才能獲得汗水。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，基于此，來(lái)自美國(guó)加州理工學(xué)院以及加利福尼亞大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種可穿戴電化學(xué)生物傳感器，該傳感器可用于連續(xù)分析人體在體育鍛煉和休息狀態(tài)時(shí)汗液中痕量水平的多種代謝物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，包括所有必需氨基酸和維生素，通過(guò)監(jiān)測(cè)代謝物以實(shí)現(xiàn)在早期識(shí)別異常健康狀況，并促進(jìn)精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)補(bǔ)充等應(yīng)用。該研究成果以“A wearable electrochemical biosensor for the monitoring of metabolites and nutrients”為題發(fā)表于nature biomedical engineering期刊。

圖1 可穿戴生物傳感器“NutriTrek”的示意圖

用于自主汗液感應(yīng)、采樣、分析和校準(zhǔn)的可穿戴系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)身體的連續(xù)代謝和營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)，研究人員設(shè)計(jì)的柔性傳感器貼片包括用于局部按需汗液感應(yīng)的離子電滲模塊、用于高效汗液采樣的多入口微流控模塊、用于連續(xù)氨基酸（AA）分析的多路激光蝕刻石墨烯-分子印跡聚合物（LEG-MIP）汗液營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳感器陣列，以及用于實(shí)時(shí)AA傳感器校準(zhǔn)的基于LEG的溫度和電解質(zhì)傳感器。考慮到運(yùn)動(dòng)期間的出汗率會(huì)影響某些生物標(biāo)志物水平，研究人員利用汗液中Na?水平（與出汗率呈線性相關(guān)）來(lái)進(jìn)一步校準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)水平以進(jìn)行個(gè)性化分析。這種涉及兩步差分脈沖伏安法（DPV）掃描和溫度/電解質(zhì)校準(zhǔn)的獨(dú)特轉(zhuǎn)導(dǎo)策略，使研究人員能夠在傳感器使用期間連續(xù)獲得準(zhǔn)確的汗液讀數(shù)。

圖2 用于自主汗液感應(yīng)、采樣、分析和校準(zhǔn)的可穿戴系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了使這種可穿戴技術(shù)可以廣泛適用，特別是可以適用于久坐不動(dòng)的人，研究人員使用了一種定制設(shè)計(jì)的離子電滲療法模塊，該模塊由LEG陽(yáng)極和陰極以及含有毒蕈堿劑卡巴膽堿的水凝膠組成，用于可持續(xù)的排汗。為了最大限度地提高低容量汗液采樣的效率并提高可穿戴傳感的時(shí)間分辨率，研究人員還精心設(shè)計(jì)了一個(gè)緊湊的柔性微流控模塊，以將汗液采樣區(qū)域與離子電滲凝膠隔離開來(lái)，并進(jìn)行數(shù)值模擬以優(yōu)化微流控模塊的幾何設(shè)計(jì)，包括關(guān)于儲(chǔ)液區(qū)幾何形狀的入口數(shù)量、角度跨度、方向和流動(dòng)方向。通過(guò)對(duì)汗液誘導(dǎo)和采樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以便捷地在局部誘導(dǎo)汗液，并在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)使用多入口微流控系統(tǒng)輕松采樣。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在0.15?μl?/min到3?μl?/min的生理出汗率范圍內(nèi)，研究人員的可穿戴傳感器貼片可以提供對(duì)AA水平動(dòng)態(tài)變化的可靠和準(zhǔn)確的分析。

動(dòng)態(tài)生理和營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)可穿戴系統(tǒng)的評(píng)估

首先，研究人員通過(guò)在恒定負(fù)荷循環(huán)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)期間感測(cè)受試者汗水中的色氨酸（Trp）和酪氨酸（Tyr）進(jìn)行可穿戴系統(tǒng)的評(píng)估。來(lái)自傳感器的DPV數(shù)據(jù)與溫度和Na?傳感器讀數(shù)一起無(wú)線傳輸?shù)揭苿?dòng)應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序使用定制開發(fā)的迭代基線校正算法自動(dòng)提取氧化峰，并對(duì)汗液中的Tyr和Trp進(jìn)行準(zhǔn)確定量。由于血清素合成和支鏈氨基酸（BCAA）攝入，Trp和BCAA水平在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中分別下降，且觀察到汗液Trp與BCAA的比率增加，該結(jié)果與相關(guān)血漿對(duì)應(yīng)物的結(jié)果一致，有潛力作為中樞疲勞的指標(biāo)。

圖3 針對(duì)延長(zhǎng)生理和營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)的活動(dòng)的可穿戴系統(tǒng)評(píng)估

使用無(wú)線生物傳感器對(duì)代謝綜合征風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行個(gè)性化監(jiān)測(cè)

以腹部肥胖和胰島素抵抗為特征的代謝綜合征現(xiàn)在正在上升為發(fā)病和死亡的主要誘因，影響美國(guó)超過(guò)三分之一的成年人。循環(huán)BCAA水平升高可預(yù)測(cè)胰島素抵抗性肥胖和代謝綜合征，并與心血管疾?。–VD）和‖型糖尿?。═2DM）相關(guān)，這可能導(dǎo)致嚴(yán)重的COVID-19潛在并發(fā)癥。最近的研究表明，補(bǔ)充BCAA具有改善胰島素抵抗的潛在用途。監(jiān)測(cè)必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)水平的變化可提供對(duì)代謝綜合征風(fēng)險(xiǎn)的高度敏感的早期檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)有效的個(gè)性化飲食干預(yù)。

為了探索將汗液中BCAA用作代謝綜合征非侵入性風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的可行性，研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)初步研究，以調(diào)查血清和汗液BCAA之間的相關(guān)性。研究人員選取了三組受試者：正常體重（I，n?=?10）、超重/肥胖（II，n?=?7）和T2DM肥胖（III，n?=?3）。研究顯示，在肥胖個(gè)體中發(fā)現(xiàn)更高的循環(huán)BCAA和T2DM3水平?？紤]到BCAA在胰島素產(chǎn)生和抑制糖原分解方面的公認(rèn)作用，研究人員還研究了健康受試者補(bǔ)充BCAA和膳食攝入后汗液中亮氨酸（Leu）/BCAA和血糖/胰島素的餐后反應(yīng)。結(jié)果顯示，所有生物標(biāo)志物在禁食期間保持穩(wěn)定；蛋白質(zhì)飲食攝入導(dǎo)致血糖和胰島素增加，而BCAA攝入僅導(dǎo)致胰島素快速增加。此外，對(duì)于具有不同代謝條件的受試者，攝入BCAA后，盡管在所有情況下都觀察到離子電滲汗液中Leu水平顯著增加，但汗液中的Leu水平變化不同，且健康受試者顯示出劇烈的百分比波動(dòng)，而肥胖/T2DM的個(gè)體顯示出遲鈍的波動(dòng)，這可能表明這些個(gè)體中BCAA的不同代謝階段。

圖4 使用LEG-MIP BCAA傳感器對(duì)代謝綜合征風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行個(gè)性化監(jiān)測(cè)

綜上所述，通過(guò)整合可大規(guī)模生產(chǎn)的LEG、電化學(xué)合成的氧化還原活性納米載體（RAR）和“人工抗體”，研究人員展示了一種強(qiáng)大的通用可穿戴生物傳感策略，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廣泛的生物標(biāo)志物（包括所有必需的氨基酸、維生素、代謝物、脂質(zhì)、激素和藥物）監(jiān)測(cè)和可靠的原位再生，在代謝綜合征風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)中具有很大的應(yīng)用前景。此外，COVID-19陽(yáng)性和COVID-19陰性血液樣本之間Leu水平的顯著差異表明了使用該技術(shù)進(jìn)行COVID-19即時(shí)診斷和干預(yù)的潛力。此外，這種可穿戴技術(shù)可以通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)循環(huán)生物標(biāo)志物和實(shí)現(xiàn)個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)干預(yù)，在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。該技術(shù)還可以重新配置，以持續(xù)監(jiān)測(cè)各種其他生物標(biāo)志物，以實(shí)現(xiàn)廣泛的個(gè)性化預(yù)防、診斷和治療應(yīng)用。