醫(yī)工學(xué)人評論

創(chuàng)新性地結(jié)合計算化學(xué)、分子印跡聚合物和有機電化學(xué)晶體管技術(shù)，研發(fā)一種高靈敏、可連續(xù)監(jiān)測皮質(zhì)醇水平的穿戴式系統(tǒng)，為壓力管理和個性化健康監(jiān)測開辟新方案。

監(jiān)測應(yīng)激反應(yīng)生物標(biāo)志物水平對于特定疾病的診斷、治療結(jié)果的預(yù)測和健康狀況的監(jiān)測非常重要。皮質(zhì)醇被稱為壓力激素，受下丘腦-垂體-腎上腺 （HPA） 軸的調(diào)節(jié)。長期壓力可導(dǎo)致抑郁等情緒障礙，這可能導(dǎo)致皮質(zhì)醇持續(xù)升高。這種慢性升高可導(dǎo)致腹部肥胖和肌肉分解代謝。因此，皮質(zhì)醇檢測有望從診斷 HPA 軸疾病的專用工具演變?yōu)槿粘＝】当O(jiān)測的常規(guī)做法。目前，定量皮質(zhì)醇的金標(biāo)準(zhǔn)包括頻繁的靜脈取樣和使用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜 （LC-MS/MS） 和免疫測定的實驗室分析。然而，這些方法需要醫(yī)療就診、復(fù)雜的樣本處理和復(fù)雜的設(shè)備。最新的一些研究中，研究者們已經(jīng)向緊湊型移動檢測系統(tǒng)和可穿戴傳感平臺進行了重大轉(zhuǎn)變，用于連續(xù)皮質(zhì)醇監(jiān)測 （CCM），增強了在家庭環(huán)境中有效解決壓力和抑郁的能力。

4月17日，《科學(xué)·通報》發(fā)表的一項突破性研究推出了一種計算輔助的連續(xù)皮質(zhì)醇監(jiān)測系統(tǒng)（CWSCCM），該系統(tǒng)利用了原位再生分子印跡聚合物 （MIP）、信號放大器有機電化學(xué)晶體管 （OECT）、基于離子電滲療法的汗液誘導(dǎo)和微流體汗液采樣的尖端跨學(xué)科技術(shù)，實現(xiàn)了汗液中皮質(zhì)醇的連續(xù)監(jiān)測，為個性化健康管理開辟了新天地。

研究者們還驗證了 CWSCCM 對人類參與者進行長期皮質(zhì)醇晝夜節(jié)律監(jiān)測的能力，顯示出卓越的靈敏度、選擇性和連續(xù)監(jiān)測能力。

1 壓力管理的挑戰(zhàn)與皮質(zhì)醇監(jiān)測的意義

壓力是現(xiàn)代人生活中不可避免的一部分。長期的壓力可能導(dǎo)致一系列健康問題，包括心血管疾病、免疫系統(tǒng)抑制以及精神健康問題，如焦慮和抑郁。而皮質(zhì)醇被稱為“壓力激素”，它的水平變化直接與身體的壓力反應(yīng)相關(guān)。因此，持續(xù)監(jiān)測皮質(zhì)醇水平，能夠為早期發(fā)現(xiàn)和干預(yù)壓力相關(guān)疾病提供重要依據(jù)。

然而，傳統(tǒng)的皮質(zhì)醇檢測方法（如血液和尿液測試）存在不少局限性。首先，這些檢測方法往往需要到醫(yī)院或?qū)嶒炇疫M行，既不方便也無法實時反映個體的生理狀態(tài)。其次，血液和尿液樣本處理復(fù)雜，且結(jié)果通常延遲。因此，如何實現(xiàn)一個高效、便捷且能夠?qū)崟r監(jiān)測的皮質(zhì)醇檢測系統(tǒng)，成為了研究的關(guān)鍵。

圖1 用于汗液分析的 CWSCCM 示意圖

2 CWSCCM系統(tǒng)的創(chuàng)新與技術(shù)融合

該研究提出的CWSCCM系統(tǒng)，正是基于解決上述問題的需求而設(shè)計的。該系統(tǒng)將分子印跡聚合物（MIPs）、有機電化學(xué)晶體管（OECT）技術(shù)和微流控汗液采樣技術(shù)有機結(jié)合，開創(chuàng)了皮質(zhì)醇持續(xù)監(jiān)測的新模式。

分子印跡聚合物（MIPs）：MIPs是一類通過聚合反應(yīng)形成的分子識別材料，其結(jié)構(gòu)與目標(biāo)分子（如皮質(zhì)醇）相似，可以像天然的生物受體一樣與目標(biāo)分子特異性結(jié)合。與傳統(tǒng)的抗體或適配子相比，MIPs具有更高的穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性，且不需要復(fù)雜的再生步驟。因此，MIPs成為了CWSCCM系統(tǒng)中用于皮質(zhì)醇檢測的核心識別元件。

有機電化學(xué)晶體管（OECT）技術(shù)：OECT是一種在低電壓下工作、具有高跨導(dǎo)（transconductance）的電化學(xué)傳感器。在CWSCCM系統(tǒng)中，OECT不僅負(fù)責(zé)放大信號，還能在皮質(zhì)醇濃度發(fā)生變化時，敏感地捕捉到微小的電流變化，從而提高了系統(tǒng)的檢測靈敏度。OECT與MIPs結(jié)合后，能夠有效地放大由于皮質(zhì)醇結(jié)合引起的電流變化，使得皮質(zhì)醇的檢測變得更加敏感和精確。

微流控汗液采樣技術(shù)：為了實現(xiàn)持續(xù)的皮質(zhì)醇監(jiān)測，CWSCCM系統(tǒng)使用了微流控技術(shù)來采集汗液。通過離子電滲作用，微流控模塊能夠刺激皮膚分泌汗液，并將其引導(dǎo)至傳感器進行分析。這種無創(chuàng)且連續(xù)的采樣方式，使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測個體的皮質(zhì)醇水平，而無需依賴于復(fù)雜的實驗室操作。

圖2 DFT 指導(dǎo)皮質(zhì)醇 MIP 的優(yōu)化

3 CWSCCM系統(tǒng)的創(chuàng)新性與實際意義

這項研究的意義不僅在于提出了一個全新的技術(shù)框架，還在于它解決了傳統(tǒng)皮質(zhì)醇監(jiān)測方法中的多項難題。

計算輔助的MIPs優(yōu)化設(shè)計：傳統(tǒng)的分子印跡聚合物設(shè)計通常依賴于經(jīng)驗，而本研究通過計算化學(xué)（密度泛函理論，DFT）優(yōu)化了MIPs的設(shè)計，能夠在分子層面預(yù)測不同單體與皮質(zhì)醇的結(jié)合親和力，從而提高了MIPs的選擇性和靈敏度。這種計算輔助的設(shè)計方法，為未來的生物傳感器材料開發(fā)提供了新的思路。

皮質(zhì)醇的原位再生：CWSCCM系統(tǒng)的另一大創(chuàng)新點在于采用了OECT和MIP結(jié)合的原位再生技術(shù)。通過施加負(fù)電壓，能夠?qū)⒔壎ǖ钠べ|(zhì)醇分子從MIP層中釋放出來，實現(xiàn)MIP的再生和傳感器的多次使用。這一技術(shù)突破性地解決了傳統(tǒng)傳感器需要頻繁更換識別元件的問題，提升了系統(tǒng)的可持續(xù)性和經(jīng)濟性。

實時連續(xù)監(jiān)測與個性化健康管理：CWSCCM系統(tǒng)能夠?qū)崟r、連續(xù)地監(jiān)測皮質(zhì)醇水平，且通過無線數(shù)據(jù)傳輸將監(jiān)測結(jié)果實時反饋到用戶的手機應(yīng)用程序中。這意味著個體可以隨時掌握自己的壓力水平，尤其是在面對突發(fā)壓力時，及時獲取數(shù)據(jù)可以幫助個人做出健康決策。此外，這項技術(shù)的長時間監(jiān)測功能，還可以為臨床醫(yī)生提供更全面的數(shù)據(jù)，輔助個性化治療方案的制定。

圖3 優(yōu)化通道幾何形狀，以實現(xiàn)皮質(zhì)醇傳感的最大跨導(dǎo)

4 走向精準(zhǔn)醫(yī)療與個性化健康管理

隨著科技的進步，越來越多的穿戴式設(shè)備開始走入人們的日常生活。CWSCCM系統(tǒng)的問世，無疑是穿戴式傳感器在生物監(jiān)測領(lǐng)域的重要突破。這項技術(shù)不僅能夠幫助個人實時監(jiān)控自己的壓力水平，還能為科學(xué)家和醫(yī)生提供新的工具，用于疾病的早期診斷和治療。

在未來，隨著技術(shù)的進一步完善和成本的降低，CWSCCM系統(tǒng)有望成為家庭健康管理的常規(guī)工具，幫助人們更好地管理和應(yīng)對日常壓力。尤其是在個性化醫(yī)療領(lǐng)域，基于實時數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)治療將為疾病的干預(yù)提供全新的思路。

圖4 MIP-OECT 生物傳感器對多個樣品的生物傳感性能

圖5 使用完全集成的 CWSCCM 對皮質(zhì)醇水平進行個性化監(jiān)測

這項研究不僅展現(xiàn)了計算化學(xué)與傳感器技術(shù)結(jié)合的強大潛力，還展示了穿戴式設(shè)備在健康管理中的巨大應(yīng)用前景。通過CWSCCM系統(tǒng)，壓力監(jiān)測和皮質(zhì)醇檢測不再是難以實現(xiàn)的目標(biāo)，它將推動個性化健康管理走向新的高度，幫助人們更好地理解自己的生理狀態(tài)，為改善現(xiàn)代生活中的健康問題提供了全新的解決方案。

END

撰文 | 羅虎

審核 | 醫(yī)工學(xué)人理事會