汗液是一种重要的体液，含有大量反映营养和代谢状况的化学物质。从血液分析到可穿戴汗液分析的进展可以为无创、连续监测对人类健康至关重要的生理生物标志物提供巨大潜力。然而，目前报道的可穿戴电化学传感器主要关注有限数量的分析物，包括电解质、葡萄糖和乳酸，因为除了离子选择性和酶电极或电活性分子的直接氧化之外缺乏合适的连续监测策略。因此，汗液中大多数临床相关的营养物质和代谢物很少可以被现有的可穿戴传感技术探索和检测到。此外，目前的可穿戴生物传感器通常需要剧烈运动才能获得汗水。
据麦姆斯咨询报道，基于此，来自美国加州理工学院以及加利福尼亚大学的研究人员开发了一种可穿戴电化学生物传感器，该传感器可用于连续分析人体在体育锻炼和休息状态时汗液中痕量水平的多种代谢物和营养物质，包括所有必需氨基酸和维生素，通过监测代谢物以实现在早期识别异常健康状况，并促进精准营养物质补充等应用。该研究成果以“A wearable electrochemical biosensor for the monitoring of metabolites and nutrients”为题发表于nature biomedical engineering期刊。
图1 可穿戴生物传感器“NutriTrek”的示意图
用于自主汗液感应、采样、分析和校准的可穿戴系统设计
为了实现对身体的连续代谢和营养监测，研究人员设计的柔性传感器贴片包括用于局部按需汗液感应的离子电渗模块、用于高效汗液采样的多入口微流控模块、用于连续氨基酸（AA）分析的多路激光蚀刻石墨烯-分子印迹聚合物（LEG-MIP）汗液营养物质传感器阵列，以及用于实时AA传感器校准的基于LEG的温度和电解质传感器。考虑到运动期间的出汗率会影响某些生物标志物水平，研究人员利用汗液中Na⁺水平（与出汗率呈线性相关）来进一步校准营养物质水平以进行个性化分析。这种涉及两步差分脉冲伏安法（DPV）扫描和温度/电解质校准的独特转导策略，使研究人员能够在传感器使用期间连续获得准确的汗液读数。
图2 用于自主汗液感应、采样、分析和校准的可穿戴系统设计
为了使这种可穿戴技术可以广泛适用，特别是可以适用于久坐不动的人，研究人员使用了一种定制设计的离子电渗疗法模块，该模块由LEG阳极和阴极以及含有毒蕈碱剂卡巴胆碱的水凝胶组成，用于可持续的排汗。为了最大限度地提高低容量汗液采样的效率并提高可穿戴传感的时间分辨率，研究人员还精心设计了一个紧凑的柔性微流控模块，以将汗液采样区域与离子电渗凝胶隔离开来，并进行数值模拟以优化微流控模块的几何设计，包括关于储液区几何形状的入口数量、角度跨度、方向和流动方向。通过对汗液诱导和采样的优化设计，可以便捷地在局部诱导汗液，并在长时间内使用多入口微流控系统轻松采样。研究结果发现，在0.15 µl /min到3 µl /min的生理出汗率范围内，研究人员的可穿戴传感器贴片可以提供对AA水平动态变化的可靠和准确的分析。
动态生理和营养监测可穿戴系统的评估
首先，研究人员通过在恒定负荷循环运动试验期间感测受试者汗水中的色氨酸（Trp）和酪氨酸（Tyr）进行可穿戴系统的评估。来自传感器的DPV数据与温度和Na⁺传感器读数一起无线传输到移动应用程序，该应用程序使用定制开发的迭代基线校正算法自动提取氧化峰，并对汗液中的Tyr和Trp进行准确定量。由于血清素合成和支链氨基酸（BCAA）摄入，Trp和BCAA水平在运动过程中分别下降，且观察到汗液Trp与BCAA的比率增加，该结果与相关血浆对应物的结果一致，有潜力作为中枢疲劳的指标。
图3 针对延长生理和营养监测的活动的可穿戴系统评估
使用无线生物传感器对代谢综合征风险因素进行个性化监测
以腹部肥胖和胰岛素抵抗为特征的代谢综合征现在正在上升为发病和死亡的主要诱因，影响美国超过三分之一的成年人。循环BCAA水平升高可预测胰岛素抵抗性肥胖和代谢综合征，并与心血管疾病（CVD）和‖型糖尿病（T2DM）相关，这可能导致严重的COVID-19潜在并发症。最近的研究表明，补充BCAA具有改善胰岛素抵抗的潜在用途。监测必需营养物质水平的变化可提供对代谢综合征风险的高度敏感的早期检测，从而实现有效的个性化饮食干预。
为了探索将汗液中BCAA用作代谢综合征非侵入性风险指标的可行性，研究人员进行了一项初步研究，以调查血清和汗液BCAA之间的相关性。研究人员选取了三组受试者：正常体重（I，n = 10）、超重/肥胖（II，n = 7）和T2DM肥胖（III，n = 3）。研究显示，在肥胖个体中发现更高的循环BCAA和T2DM3水平。考虑到BCAA在胰岛素产生和抑制糖原分解方面的公认作用，研究人员还研究了健康受试者补充BCAA和膳食摄入后汗液中亮氨酸（Leu）/BCAA和血糖/胰岛素的餐后反应。结果显示，所有生物标志物在禁食期间保持稳定；蛋白质饮食摄入导致血糖和胰岛素增加，而BCAA摄入仅导致胰岛素快速增加。此外，对于具有不同代谢条件的受试者，摄入BCAA后，尽管在所有情况下都观察到离子电渗汗液中Leu水平显着增加，但汗液中的Leu水平变化不同，且健康受试者显示出剧烈的百分比波动，而肥胖/T2DM的个体显示出迟钝的波动，这可能表明这些个体中BCAA的不同代谢阶段。
图4 使用LEG-MIP BCAA传感器对代谢综合征风险指标进行个性化监测
综上所述，通过整合可大规模生产的LEG、电化学合成的氧化还原活性纳米载体（RAR）和“人工抗体”，研究人员展示了一种强大的通用可穿戴生物传感策略，可以实现对广泛的生物标志物（包括所有必需的氨基酸、维生素、代谢物、脂质、激素和药物）监测和可靠的原位再生，在代谢综合征风险监测中具有很大的应用前景。此外，COVID-19阳性和COVID-19阴性血液样本之间Leu水平的显著差异表明了使用该技术进行COVID-19即时诊断和干预的潜力。此外，这种可穿戴技术可以通过持续监测循环生物标志物和实现个性化营养干预，在实现精准营养补充方面发挥关键作用。该技术还可以重新配置，以持续监测各种其他生物标志物，以实现广泛的个性化预防、诊断和治疗应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41551-022-00916-z
