基于核酸的可穿戴和植入式电化学传感器

MEMS 2024-08-09 00:01

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研究背景

通过血样分析收集的生物标志物信息为健康管理提供了重要依据。然而，这种传统方法是间歇性的，需要频繁的门诊预约和侵入性抽血。新兴的植入式和可穿戴生物传感技术领域正在向连续、远程监测健康分析物的方向转变。这些创新技术能够利用生化传感器收集纵向健康数据，以高灵敏度和稳健的稳定性测量各种生物分子目标，从而有望开创精准医疗的新时代。

植入式传感器可实时了解血液和组织间液(ISF)中的循环生物标志物，以及组织健康和器官功能的局部指标。例如，植入大脑的生物传感器可有效监测与情绪、认知和大脑健康相关的神经化学信号。生物流体采样和收集技术的创新使人们能够通过ISF、汗液、唾液呼吸冷凝液和泪液等替代生物流体对健康生物标志物进行可穿戴式无创分析。可穿戴微针阵列可用于监测 ISF 中的循环生物标记物，而汗液可从皮肤表面收集并监测各种小分子如氨基酸、代谢物、激素、乙醇、治疗药物和滥用药物。

开发可穿戴和植入式生化传感器要比制造行动跟踪器或传统的实验室传感器更具挑战性。之所以复杂，是因为这些设备不仅需要实现连续的体外生化传感，还要确保在复杂的生物流体基质中进行可靠而精确的分析测量。这就需要具有快速结合动力学、高效信号传导和原位再生能力的高特异性生物识别元件，以便进行重复测量。

传统的基于蛋白质的传感器依赖于抗体和酶，要针对新颖多样的分子靶标进行工程合成具有挑战性。虽然蓬勃发展的生物治疗研究促进了合成抗体的发现，并优化了高亲和力目标结合，但由于缺乏无标记电化学信号转导和传感器再生技术，限制了它们在体内连续传感应用中的使用。天然存在的氧化还原酶(如葡萄糖氧化酶)可以解决这些连续传感难题但由于难以同时设计出选择性结合新目标和高催化活性的方法，它们的通用性有限。

随着指数富集配体系统进化(SELEX)技术的出现，核酸序列已被设计成能与反义链以外的分子目标高亲和力结合。由于核酸具有强大的结合能力，可确保对特定分子进行选择性检测，因此将核酸用作生物识别元件对植入式和可穿戴式传感器的设计具有重要意义。核酸的高亲和力还可将背景噪音降至最低，进一步提高测量的可靠性。此外，核酸易于合成且可再生，使其成为传感器设计中既有效又经济的选择。

研究成果

过去十年间，用于植入式和可穿戴式应用的核酸电化学传感器取得了突飞猛进的发展，标志着个人医疗保健领域实现了重大飞跃。这项技术有助于早期诊断疾病、监测疾病进展和定制个性化治疗方案，有望彻底改变个性化医疗保健。加州理工学院高伟教授团队在本综述中介绍了这一领域的最新发展重点是核酸传感策略，这种策略可直接在血液、组织间液、汗液和唾液等各种生物流体中进行实时和连续的生物标记分析。综述深入探讨了各种核酸传感策略，强调了生物识别元件和信号转导机制的创新设计，从而实现植入式和可穿戴式应用。文章特别关注如何提高核酸传感器的选择性和灵敏度，这对于准确检测低水平生物标记物至关重要。将此类传感器集成到植入式和可穿戴式平台(包括微针阵列和柔性电子系统)中，可将其应用于人体健康监测设备。我们还探讨了这些传感器开发过程中遇到的技术挑战，如确保长期稳定性管理生物流体动态的复杂性，以及满足实时、连续和无残留检测的需求。总之，这篇综述强调了这些传感器在未来医学工程中的重要性，对设计考虑因素和未来研究方向提出了见解，以克服现有限制，充分发挥基于核酸的电化学传感器在医疗保健应用中的潜力。相关报道以“Nucleic acid-based wearable and implantable electrochemical sensors”为题发表在Chemical Society Reviews期刊上。

图文导读

Fig. 1 Overview of nucleic acid-based implantable/wearable electrochemical sensors.

Fig. 2 Nucleic acid-based implantable/wearable sensing strategies.

Fig. 3 Nucleicacid-based wearable microneedle sensor in interstitial fluid.

Fig. 4 Nucleic acid-based wearable sensors for non-invasive molecular analysis.

Fig. 5 Nucleic acid-based implantable neurochemical sensing.

Fig. 6 Nucleic acid-based implantable sensing of circulating biomarkers.

Fig. 7 Design considerations toward continuous, in situ and real-time molecular analysis.

总结与展望

连续植入式和可穿戴式电化学传感器的开发是精准医疗和个性化医疗领域的一大进步。例如，植入式和可穿戴式传感器可根据个体药代动力学为有效给药和剂量提供关键信息。植入式和可穿戴设备可协同用于实施闭环治疗系统，实现体内数据访问和无创调节。此外，使用植入式和可穿戴式传感器进行持续监测，可提供有关个性化基线和趋势的高级诊断数据，从而进行早期干预。本综述展示了基于核酸的传感器直接对各种生物流体中的多种生物标志物进行连续、实时监测的潜力。这些传感器利用核酸对目标生物标志物亲和力的高特异性和高灵敏度，为解决传统健康监测方法的局限性提供了一种很有前景的解决方案。因为传统的健康监测方法往往是间歇性、侵入性的，而且无法捕捉生理变化的动态特性。

作者深入研究了各种核酸传感策略，尤其关注基于核酸的识别元件及其在提高生物传感器性能方面的作用。讨论了将这些传感器整合到植入式和可穿戴式平台中的问题，展示了它们的多功能性以及在持续的家庭健康监测中广泛应用的潜力。对确保传感器寿命驾驭错综复杂的生物流体和实现无残留检测等挑战进行了严格评估，并提出了解决这些问题的创新性跨学科解决方案。要克服当前的局限性并增强这些设备的功能性和可靠性，就必须不断努力改进传感器的设计，同时推进材料科学、生物工程和计算建模的发展。将这些传感器与数字健康平台相结合，可以进一步实现实时数据分析，促进健康管理和疾病预防的前瞻性。随着我们在开发和实施过程中不断克服各种复杂问题，将个性化医疗转变为具体现实的希望越来越大，预示着一个健康监测和干预的新时代即将到来。

论文信息：DOI: 10.1039/d4cs00001c